如今,作为第三代半导体的宽带隙器件,氮化镓半导体技术已广为熟知。凭借其良好的CMOS兼容能力,GaN工艺可能实现高频、高功率GaN器件与高密度存储和数字逻辑电路的高度集成,从而推动包含射频收发器、现场可编程门阵列、处理器和存储器等功能的高频大功率系统级芯片的构建与实现。

近二十年来,氮化镓(GaN)半导体技术已被大众所熟知,它的采用意味着射频功率能力的模式转变。尽管尚未完全兑现其所有承诺,但GaN器件已稳步进入射频、微波、毫米波领域的许多应用,甚至是太赫兹 (THz) 波段的应用领域。

正在进行的开发工作使GaN有源器件能够覆盖更广泛的用例,比如极端温度、功率和频率条件下的许多用例。这些应用包括了6GHz以下和毫米波5G基础设施设备。进一步的发展旨在降低GaN器件的成本,并增强GaN与包括CMOS在内的其他常见工艺的集成能力。

GaN目前所处的位置

目前最常见的GaN器件是用于构建放大器电路的GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。其中大多数GaN HEMT用于功率放大应用。然而,GaN HEMT和其他晶体管变体也可用于低噪声和宽带放大器。如今,GaN开关和二极管也变得越来越普遍,通常可用于取代砷化镓(GaAs)、硅(Si)、硅锗(SiGe)或磷化铟(InP)器件。

图1:基于GaN的HEMT可以在涉及高频操作和低导通电阻的电路拓扑结构中实现效率和功率密度方面的显著提升。资料来源:意法半导体

对于高功率或高耐久性应用来说,GaN比GaAs或InP更受青睐的原因是GaN器件具有比其他半导体器件高得多的击穿电压(临界场)和宽的多的带隙。除了高饱和速度和良好的电子迁移率外,GaN器件除提供高效率放大外,还可以实现优异的功率附加效率(PAE),这对于5G和Wi-Fi等通信应用而言是非常关键的。

常见的GaN衍生器件

·硅基氮化镓(GaN-on-Si)

·碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)

·氮化镓基氮化镓

·金刚石基氮化镓

·常见的氮化镓器件

·功放(PA)

·耐用型低噪声放大器(LNA)

·宽带放大器

·开关

·二极管

此外,GaN器件,尤其是绝缘型氮化镓器件,例如GaN-on-SiC,通常比其他半导体更坚固耐用,并且在某些情况下具有更好的导热性。这些因素表明,GaN放大器具有比其他半导体更高的功率密度和耐用性,从而使得GaN器件在军事、航空航天和工业应用中更具吸引力。在某些情况下,例如5G和未来的6G毫米波通信中,GaN发射器将展现出比GaAs发射器更高的功率和效率,从而支持实现具有更少阵列单元、更紧凑、且成本更低的有源天线系统(AAS)。

图2:GaN HEMT器件的结构及其输出功率与传统技术的比较。资料来源:富士通

氮化镓在射频领域的未来

当前大多数GaN晶体管基于横向异质结技术,主要是硅或碳化硅基底上的铝氮化镓和GaN HEMT。采用横向晶体管技术,最终会受到给定半导体材料面积内器件所能达到的电压/功率上限的限制。不过垂直构建晶体管也是可能的。使用垂直晶体管技术,可以增加GaN器件的整体功率密度,并且对于给定的功率/电压性能,需要的芯片面积更小。这不仅会使GaN晶体管变得更加紧凑,而且由于每个器件所需的晶圆面积减少,成本可能低于同等性能的横向器件。

为了实现这一点,垂直GaN工艺很可能是一种暂且受到GaN晶圆成本和尺寸限制的GaN-on-GaN技术。随着高压技术的发展,其他可能性还包括增强型GaN器件,例如FinFET和可能的沟道型MOSFET。

在上述产品真正实现之前,仍有许多工艺挑战需要克服,但在接下来的几年中,与CMOS兼容的GaN工艺可能大行其道,从而使得高频和高功率GaN器件与高密度存储和数字逻辑电路的集成成为可能,也因此能够推动构建完整的大功率和高频通信片上系统(SoC),这些器件将集成射频收发器、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器和数据存储器。

(参考原文:A gallium nitride (GaN) recap for next-gen RF applications )

本文为《电子工程专辑》2022年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

责编:Jimmy.zhang
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