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氮化镓(GaN):5G时代提高射频前端和无线充电效率的新元素

时间:2019-09-26 阅读:
5G的到来将会给半导体材料带来革命性的变化,无论是硅衬底还是碳化硅衬底,氮化镓(GaN)都将获得快速发展。从2G到5G,通信频率在不断地向高频发展,因此基站及通信设备对射频器件高频性能的要求也在不断提高。在此背景下,氮化镓(GaN)必将以其独特的高频特性、超高的功率密度,以及优越的集成度成为5G技术的核心器件。
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第三代半导体材料氮化镓(GaN)

氮化镓(GaN, Gallium Nitride)是一种直接带隙半导体材料,硬度很高。氮化镓的带隙为3.4 eV,而现今最常用的半导体材料硅的带隙为1.12 eV,因此氮化镓在高功率和高速器件中具有比硅器件更好的性能。veSEETC-电子工程专辑

另外,氮化镓对电磁辐射的敏感性较低,氮化镓器件在辐射环境中显示出很高的稳定性。相比砷化镓(GaAs)晶体管,氮化镓晶体管可以在高得多的温度和电压下工作,因此是理想的微波频率功率放大器件。veSEETC-电子工程专辑

作为第三代半导体材料,氮化镓(GaN)的研究和应用已经有20多年的历史,但直到最近几年才开始凸显出其商业化的发展前景,5G无疑是背后的主要驱动力之一。5G通信的射频前端有着高频和高效率的严格要求,这正是氮化镓(GaN)的用武之地。另外,汽车电动化和便携式电子产品快速而高效的充电需求也将驱动氮化镓(GaN)功率器件走向大众市场,逐渐替代传统的硅功率器件。veSEETC-电子工程专辑

5G为GaN打开应用的“闸门”

5G的到来将会给半导体材料带来革命性的变化,无论是硅衬底还是碳化硅衬底,氮化镓(GaN)都将获得快速发展。从2G到5G,通信频率在不断地向高频发展,因此基站及通信设备对射频器件高频性能的要求也在不断提高。在此背景下,氮化镓(GaN)必将以其独特的高频特性、超高的功率密度,以及优越的集成度成为5G技术的核心器件。veSEETC-电子工程专辑

据市场调研公司Yole Development预测,全球GaN RF器件的市场规模到2024年将超过20亿美元,其中无线通信和军事应用占据绝大部分。veSEETC-电子工程专辑

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图一:GaN RF器件的市场规模预测(来源:Yole Development)veSEETC-电子工程专辑

氮化镓(GaN)向来以较高的功率处理能力而著称,是基站、雷达和航空电子等无线通信设备的首选放大器材料,在4G通信系统中也已经使用多年。在5G移动通信系统中,基站和手机终端的数据传输速率比4G更快,调制技术的频谱利用率更高,这对RF前端器件和模块提出了更高的要求。veSEETC-电子工程专辑

GaN对比硅基LDMOS和GaAs

在射频前端应用中,硅基LDMOS器件和砷化镓(GaAs)仍是主流器件,氮化镓(GaN)相对于它们有什么优点和缺点呢?成都氮矽科技创始人兼CTO罗鹏博士认为,氮化镓(GaN)的高频特性要优于砷化镓(GaAs)和LDMOS。LDMOS只能用于3.5GHz以下的应用,砷化镓虽然可以做到40GHz,但所能提供的功率非常有限,需要多级放大叠加才能达到功率指标,所以器件尺寸通常比较大。而氮化镓在高频下依然可以保证高功率,从而可大大减少晶体管的数量和器件的尺寸。veSEETC-电子工程专辑

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此外,氮化镓(GaN)的带隙电压比硅基LDMOS器件和砷化镓(GaAs)都高,GaN可以工作于28V或更高的电压,而GaAs工作电压为10V,LDMOS约为6V。AMCOM通信公司CTO Ho. Huang认为,氮化镓具有更高的输出功率性能,特别适合长距离通信的大功率应用。(此处插入头像及人物简介:AMCOM通信公司CTO Ho. Huang,美国IEEE 会员)veSEETC-电子工程专辑

意法半导体(ST)新材料和电源方案事业部的创新和关键项目战略营销总监Filippo Di Giovanni表示,在现今的射频前端电路中,GaAs仍然是高频小信号器件的选择基准,因为这种应用需要低噪声系数。在这些应用中,GaAs取代了LDMOS器件,基于GaAs的MMIC芯片集成开关和放大器已经广泛用于智能手机和平板电脑等电池供电的便携式设备。对于给定的输出功率,虽然GaAs放大器的线性和失真度通常优于GaN放大器,但可以通过数字预失真技术帮助GaN在高频下实现线性化。他预测,随着GaN技术向更小的工艺节点演进,在达到0.15um栅长时,GaN将挑战GaAs器件在便携式无线应用中的主导地位。veSEETC-电子工程专辑

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图二:氮化镓(GaN)在通信基站中的应用趋势(来源:Yole Development)veSEETC-电子工程专辑

相对于砷化镓和硅基LDMOS,氮化镓的成本依然过高,特别是在RF应用中多以碳化硅(SiC)为衬底的情况下。砷化镓和硅基LDMOS现有的晶圆工艺可以做到8英寸,甚至10和12英寸,但是GaN-on-SiC的主流芯片依然是6英寸的。虽然早在2015年业界已经成功将GaN生长在8英寸的SiC上,但是良品率不高使得成本居高不下,依然不如6英寸的。veSEETC-电子工程专辑

氮化镓(GaN)的成本劣势阻碍了它的快速发展,但其发展前景仍然乐观。现在业界一些公司,包括国外的Macom和国内的英诺赛科,正在将低成本的GaN-on-Si应用在RF器件上,随着制造工艺的提升和成本的下降,相信氮化镓必将取代砷化镓和LDMOS,现阶段5G行业仍然需要传统硅基半导体和新兴第三代半导体的相互补充和共存发展。veSEETC-电子工程专辑

包络跟踪技术需要GaN支持

在一个典型的基站中,50%的电能是功率放大器(PA)消耗掉的,同时还需要体积较大的散热系统来处理额外的热量。虽然提高能效和减少散热量一直是无线通信行业的要求,但对于2G/3G/4G网络并非是当务之急。对于5G网络就完全不同了,运营商希望频谱利用率更高,5G基站部署的密度也比以前更大,因此要求射频信号的峰值平均功率比(PAPR)更高。然而,随着PAPR的增大,PA的效率就会降低。veSEETC-电子工程专辑

在以前的2G系统中,调制方案仅针对工作频率和相位,但没有在幅度里载入任何信息,换句话说,包络是恒定的。3G、4G和5G技术则采用不同的调制方法,包络不再是恒定的。实际上,电源电压和RF输出信号之间的差异非常大,致使恒压供电的线性功放(LPA)无法实现高能效。为应对这一挑战,包络跟踪(ET)技术就被引入进来了。veSEETC-电子工程专辑

据宜普公司(EPC)创始人兼CEO Alex Lidow介绍,使PA独立于PAPR而保持效率的一种方法是,仅在PA需要时才为其供电,即在峰值时提供高电压,而在谷值时供应低电压。利用eGaN FET来实现包络跟踪以便保持通信系统的PA效率已经超过5年了。veSEETC-电子工程专辑

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图三:包络跟踪技术提高能效的示意图(来源:EPC)veSEETC-电子工程专辑

包络跟踪技术通过调制线性功放(LPA)的电源电压,跟踪射频信号的包络,从而提高漏极能效(DE)。这将考验包络跟踪的电源性能,因为PAPR比值和包络信号带宽变大了。为了提高能效,需要用开关式转换器代替线性转换器。这些转换器的开关频率非常高,因为所跟踪的无失真包络信号的带宽非常宽。例如,对于20 MHz(4G网络)的带宽,转换器的开关频率就要达到200 MHz。5G的包络带宽高达100MHz,转换器的开关频率要求更高。veSEETC-电子工程专辑

当开关频率非常高时,传统硅基功率开关的性能受到高损耗和低能效的拖累,就显得力不从心了。而GaN器件具有较低的寄生电容和更好的热性能,因此更适合这些高频应用。ST的Giovanni认为,受到5G青睐的包络跟踪技术将为GaN开启快速发展之门。veSEETC-电子工程专辑

氮化镓在电源管理上的性能优势

氮化镓是一种宽禁带(WBG)半导体材料,与传统的硅半导体材料相比,它能够让功率器件在更高的电压、频率和温度下运行。在电源管理应用上,氮化镓的优势包括:veSEETC-电子工程专辑

1. 传导损耗小,能效高。氮化镓晶体管的导通电阻(Rds,on)是传统硅器件的一半,在相同输出电流下损耗更小,能效更高。低损耗同时意味着低发热,从而可以有效地简化散热器件和热管理系统设计。veSEETC-电子工程专辑

2. 氮化镓晶体管内不含体二极管,没有反向恢复损耗。veSEETC-电子工程专辑

3. 氮化镓晶体管的输入电荷非常小,几乎没有栅极驱动损耗。veSEETC-电子工程专辑

4. 氮化镓功率器件可以支持更高的开关频率(GaN:1MHz,Si:<100KHz),从而减小无源器件的体积。veSEETC-电子工程专辑

5. 氮化镓器件的功率密度很大,能够达到硅基LDMOS的四倍以上,在减小体积的同时可以增大输出功率。veSEETC-电子工程专辑

英飞凌电源管理及多元化市场事业部大中华区高级市场经理陈清源对同为第三代半导体材料的氮化镓(GaN)和碳化硅的优缺点进行了对比,二者都具有快速开关性能,有助于提高效率,但是氮化镓比硅的损耗低。在应用场景下进一步对比可以发现,在高功率和更高压应用场景下,碳化硅体现出很好的成熟度和性价比;而在100V至600V的低中压应用中,氮化镓就能够发挥出更高的性价比。就结构来看,GaN是横向结构(比如JFET),很难达到SiC MOSFET(垂直结构)的高电压能力。veSEETC-电子工程专辑

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GaN对于本征是常关的开关更具吸引力,它代表着迄今所用的全部硅晶体管的后续技术。此外,从整体系统的角度考虑,氮化镓的优势在于能够使拓扑结构变得更加紧凑。英飞凌研发的CoolGaN系列产品是一种GaN增强模式高电子迁移率晶体管(E-HEMT),非常适合高压下运行更高频率的开关,可以做到设计轻薄、功率密度进一步提高,从而使转换效率有更大的提升,降低整个系统的成本。veSEETC-电子工程专辑

安森美半导体战略营销总监Yong Ang进一步解释说,GaN器件相比硅器件的寄生电容低,因而可以降低门极电荷Qg相关的开关损耗,使开关频率提高到几百kHz至MHz范围,而不降低能效。与硅功率器件不同,GaN因为没有体二极管,在铝镓氮(AlGaN)/GaN边界表面的二维电子气(2DEG)可以反向传导电流,但没有反向恢复电荷QRR,非常适合硬开关应用。由于GaN对过电压的敏感性和相对于硅非常有限的雪崩能力,特别适合半桥拓扑,其中漏源电压钳位到轨道电压。GaN在谐振LLC、有源钳位反激以及硬开关图腾柱PFC等零电压开关(ZVS)拓扑结构中具有很大的吸引力。veSEETC-电子工程专辑

氮化镓(GaN)功率器件的市场驱动力

根据IHS市场调研报告预测,GaN功率器件的市场增长快速,每年CAGR超过30% ,预计到2027市场规模将超过10 亿美元。除5G通信市场外,汽车和工业市场也是氮化镓(GaN)功率器件的主要驱动力。即便在价格敏感的消费电子市场,氮化镓(GaN)也带来了一股清新力量。比如低功率的快充充电头,已经有多家厂商成功地将实验室中的氮化镓产品投放到市场,其中包括Anker的30W GaN充电器,因为采用了来自Power Integration的GaN芯片PI SC1933C,其体积比苹果官方20W充电器缩小了40%。veSEETC-电子工程专辑

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图四:采用GaN器件的充电器体积比传统硅器件充电器缩小40%(来源:Anker)veSEETC-电子工程专辑

而最近面市的Anker PowerCore Fusion PD超级充则采用了纳微半导体(Navitas)的NV6115和NV6117 GaNFast功率芯片。据纳微半导体公司FAE和技术市场总监黄万年介绍,GaN器件相对硅器件可以将开关频率提高10倍,大大缩小被动元件的体积,特别是磁性元件,从而使得充电器的体积成倍的缩小。对于同样大小的手机充电器, 相对传统硅方案,基于氮化镓的方案可以做到快5倍以上的充电速度。对于大功率无线充电的应用,氮化镓的高频特性也可以进一步提升系统效率。veSEETC-电子工程专辑

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现在大部分智能手机的无线充电都是采用无线充电联盟(WPC)的Qi无线充电标准,但其充电速度慢,而且要求发射端和接收端要精确对齐,因此用户体验不是很好。磁共振是一种可以解决这些问题的解决方案,基于这一原理的Airfuel标准可以更快的速度为手机、平板、可穿戴设备及笔记本电脑等电子设备充电。这种无线充电标准采用6.78 MHz频率,这对硅基MOSFET器件是个挑战。宜普公司(EPC)的Alex Lidow认为eGaN FET器件和芯片可以更好地应对这一挑战,让系统效率达到有线充电方案的水平。硅基MOSFET器件的实际充电效率只有60-70%,而eGaN器件可以达到80-9%。veSEETC-电子工程专辑

氮化镓(GaN)在设计和制造工艺上的技术挑战

GaN器件无疑受益于现有类似CMOS的晶圆制造工艺,而且在不久的将来会迁移到8英寸晶圆生产线。但是,在GaN上做外延层比在硅MOSFET上更复杂,并且外延层对器件的动静态电性能的影响更明显。不同的厂商使用不同的功率GaN器件,每种方案都有不同的栅极驱动器、电流崩塌效应和封装。veSEETC-电子工程专辑

在制造方面,因为氮化镓和衬底材料Si的晶格匹配度差,生长时会出现崩塌而导致良品率低。在设计方面,氮化镓晶体管(增强型氮化镓)的栅极需要驱动才能做到正常的开关,而氮化镓的栅极电压阈值和最大电压都很小,所以非常容易误开启,在设计上有非常大的难度。veSEETC-电子工程专辑

英飞凌的陈清源认为,GaN器件所面临的主要挑战是可靠性、成本以及驱动等问题。氮化镓是常开型器件,难以被客户所应用和接受,因为用户已经习惯于硅器件的常闭型设计理念。为了解决这一设计问题,英飞凌在技术细节和工艺上做了一些改进,在栅极加了P-,做出了市场比较容易接受的常闭型器件。另一方面,氮化镓的动态导通电阻Rds(on)是业界所面临的棘手问题,原因是很多电子在开关的时候被漏级的电子陷在里面不流通。英飞凌通过引入P-把表面的电子中和掉,从根本上解决了这个技术难题。veSEETC-电子工程专辑

另外,氮化镓功率器件的驱动也要考虑一些特殊性。首先,氮化镓一定要有一个稳态的导通电流来保持它的开通,然后需要负脉冲来关断,这就对电源驱动设计造成了极大的挑战。并非所有的设计公司都有很好的研发能力来驱动氮化镓器件,如果驱动不好,它的优势就不能最大化。veSEETC-电子工程专辑

国内厂商在氮化镓(GaN)市场的机会

目前,氮化镓增长最快的要数快充市场。随着手机电池容量的不断增加,大功率的快充变得越来越重要,而传统硅材料受限于体积以及功率密度的极限无法满足市场需要,氮化镓通过自身的优势迅速吸引了市场。但是,目前中国氮化镓功率应用市场还处于起步阶段,市场对于氮化镓的认识还不够,并且氮化镓自身的成本还太高。但随着硅基氮化镓成本的降低以及可靠性的大幅提高,采用氮化镓材料的快充充电器必将成为行业的主流。veSEETC-电子工程专辑

同时,氮化镓在大功率市场的需求也非常巨大,尤其在5G基站供电模块,以及新能源汽车车载充电(OBC)领域,国内和国际厂商都将目光瞄准了这些市场。随着汽车的电动化,GaN在汽车领域的应用前景特别值得期待。中国是世界上最大的电动汽车市场之一,这也将促进GaN器件在中国市场的应用发展。veSEETC-电子工程专辑

罗鹏博士认为,目前国内氮化镓供应商并不多,有很多公司是将建立氮化镓工艺线作为宣传嘘头,真正能够量产氮化镓功率或者射频芯片的公司如凤毛麟角。原因在于氮化镓生产线技术门槛和生产成本过高,而且氮化镓市场目前并不成熟,应用设计公司依然偏少。同时也应该看到,国内依然有像珠海英诺赛科和厦门三安集成这样的氮化镓供应商,勇于创新,在努力降低氮化镓的制造成本,同时不断提高氮化镓的性能。veSEETC-电子工程专辑

结语

从市场应用来看,在未来相当长一段时期内,硅器件仍是市场的主流,而在一些硅材料所不能达到的高性能产品中,碳化硅和氮化镓可以作为很好的技术补充。所以硅、碳化硅和氮化镓的市场会同时、同步发展,不可或缺。虽然氮化镓在设计和制造工艺上还面临诸多挑战,但5G和汽车市场的需求将驱动着氮化镓器件的成本降低,逐渐为市场接受而进入大众化市场。veSEETC-电子工程专辑

本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年9月刊veSEETC-电子工程专辑

责编:Yvonne GengveSEETC-电子工程专辑

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