GaN逐步向RF领域的发展之路

目前，氮化镓（GaN）技术已经不再局限于功率应用，其优势也在向射频/微波行业应用的各个角落渗透，而且对射频/微波行业的影响越来越大，不容小觑。因为它可以实现从太空、军用雷达到蜂窝通信的应用。

虽然GaN通常与功率放大器（PA）相关度很高，但它也有其他用例。自推出以来，GaN的发展历程令人瞩目，随着5G时代的到来，它可能会更加引人关注。

GaN在雷达和太空领域的作用

GaN技术的两种变体是GaN-on-silicon（GaN-on-Si）和GaN-on-silicon-carbide（GaN-on-SiC）。据Microsemi射频/微波分立产品部门工程总监Damian McCann介绍，GaN-on-SiC对太空和军用雷达的应用贡献很大，今天，RF工程师正在寻找新的应用和解决方案，以利用GaN-on-SiC器件所实现的不断提高的功率和效率性能水平，特别是在太空和军事雷达应用中。

“GaN是一种宽禁带半导体材料，具有高硬度、机械稳定性、热容量、对电离辐射的极低灵敏度和导热性，以及通过巧妙的设计可实现更好的尺寸、重量和功率（SWaP）优势。我们还看到GaN-on-SiC超越了多个与之竞争的技术，即使在较低的频率下也是如此。”

系统设计人员将受益于GaN-on-SiC技术。McCann解释说，“热耦合和高度集成的层压板技术，与GaN-on-SiC结合使用，使系统设计人员可以寻求更高水平的集成，特别是扩展主雷达，以覆盖同一物理区域中的多个波段，增加二级雷达功能。而在太空应用中，最近看到GaN-on-SiC可行性正在增加，特别是在GaN的效率与在更高频率下工作的能力相辅相成的应用中。

他补充说：“毫米波（mmWave）GaN的功率密度带来了一套新的设计技术，可以寻找更高水平的补偿。解决方案必须超越功率补偿中的功率和线性，还需要在需要功率控制或运行到可变的VSWR级别。”

McCann还指出，GaN-on-SiC技术可以替代旧的速调管技术。他说，“有源电子扫描阵列（AESAs）和相控阵元件在军事和商业太空应用中的普及也希望GaN-on-SiC基的单片微波集成电路（MMIC）达到新的功率水平，甚至在某些情况下取代老化的速调管技术。

“然而，合格的0.15微米GaN-on-SiC晶圆代工厂数量有限，是市场上的稀缺资源，需要进一步投资解决。”

GaN和5G通信

GaN技术不仅限于太空和雷达应用。它正在推动蜂窝通信领域的创新。在未来的5G网络中，GaN有什么作用呢？

Somit Joshi是Veeco Instruments的金属有机化学气相沉积（MOCVD）产品营销高级总监，他说，“5G的蓬勃发展有望颠覆传统的蜂窝通信，为运营商和服务提供商创造新的机会。5G目前正在计划中，移动宽带（手机/平板电脑/笔记本电脑）的传输速度超过10 Gbps，与此同时，物联网（IoT）应用的可实现超低延迟。

Joshi补充道，“今天，GaN正在逐步取代特定应用中的硅（Si）（即4G / LTE基站的RF放大器）。下一代5G部署将使用GaN技术，而在5G初期，在宏蜂窝网络中会越来越多地使用GaN-on-SiC。5G将引入GaN-on-Si以与GaN-on-SiC设计相媲美，并进入小型蜂窝应用，然后可能进入毫微微蜂窝/家用路由器，甚至手机中。”

Joshi表示，就5G网络使用的更高频率而言，GaN技术将至关重要。他解释说：“5G将在多个频段逐步部署，有两个主要频率范围，分别是用于广域覆盖的sub-6-GHz，以及用于体育场、机场等高密度区域的20 GHz（mmWave）以上频带。要想满足严格的5G技术（更快的数据速率，低延迟，大规模宽带）要求，需要新的GaN技术来实现更高的目标频率（即28 GHz和39 GHz频段）。”

此外，GaN技术将非常适合5G手机。Joshi补充道，“从技术角度来看，5G存在衰减问题，需要多个天线才能使用空间复用技术来提高信号质量。每个天线都需要专用的RF前端芯片组。与砷化镓（GaAs）和Si相比，GaN在相同功率水平下具有更少的天线数量。由此产生的外形尺寸优势使GaN非常适合5G手机应用。”

此外，更高的功率效率和更低的传输损耗可显着降低功耗。单片集成多个GaN晶体管开辟了新的功能和能力。而在较低电压（低于5 V）下工作时，GaN存在一些局限性，目前，工艺专家、IDM厂商和相关研究机构正在研究并力求解决这些问题。

在制造方面，最近，在GaN-on-Si上有效生长GaN层的工艺技术取得了进步，但是，依然有一些问题需要解决，包括外延和下游器件加工和封装的成本，还有电荷捕获和电流崩溃。一些半导体设备厂商正在积极解决这些问题，以满足可靠性要求。

Veeco正在与领先的设备公司和研究机构合作，从事着GaN-on-Si的研发工作。首先，必须在整个晶圆上沉积具有合适厚度和结构组成均匀的外延层，其通常包括超晶格。客户还要求使用尖锐的接口进行精确的掺杂剂控制，以优化器件特性。还要求具备零存储器缺陷，以在特定层中有效地掺入诸如Mg和Fe的掺杂剂。

针对上述需求，一种名为单晶圆TurboDisc的技术可以解决晶体管性能、RF损耗、谐波失真和器件可靠性等严峻挑战，该技术可提供领先的掺杂剂控制和成分均匀性，同时降低每晶圆外延生长成本。这是通过利用Propel MOCVD系统的薄膜沉积控制来实现高质量缓冲生长及其掺入此类掺杂剂的能力。

图1：GaN MOCVD系统提供的薄膜沉积控制有助于提高缓冲质量

由于相关工具和工艺仍需要成熟以提高产能，因此，GaN-on-Si和GaN-on-SiC的市场规模很小，挑战仍然存在，然而，随着5G应用程序的流程和技术改进，用例继续激增，其发展潜力巨大。

超越功率放大器：基于GaN的低噪声放大器

在RF /微波应用中，GaN技术通常与功率放大器相关联。但是，一家名为Custom MMIC的公司  正在通过开发基于GaN技术的低噪声放大器（LNA）来证明GaN确实具有其他用例。

“我们经常被问到：GaAs pHEMT LNA技术很成熟，且应用广泛，为什么还要在微波频率上开发一系列GaN HEMT LNA？”Custom MMIC的高级应用工程师Chris Gregoire说：“原因很简单：GaN提供的不仅仅是低噪声。”

首先，GaN具有更高的输入功率生存能力，可以大大减少或消除通常与GaAs pHEMT LNA相关的前端限制器。通过消除限制器，GaN还可以回收这种电路的损耗，从而进一步降低噪声系数。其次，GaN LNA具有比GaAs pHEMT更高的输出三阶交调截点（IP3），这提高了接收器的线性度和灵敏度。

Gregoire表示：“与GaAs工艺相比，GaN具有这种优势的一个主要原因是其固有的高击穿电压。当LNA过载时，栅极 - 漏极击穿会导致失效。GaAs pHEMT器件的典型击穿电压为5至15 V，严重限制了这些LNA可承受的最大RF输入功率。而GaN工艺的击穿电压范围可扩展到50至100V，从而允许更高的输入功率水平。此外，较高的击穿电压允许GaN器件在较高的工作电压下偏置，这可以直接转化为更高的线性度。”

“我们已经学会了如何最大化GaN的优势，并创造出具有最低噪声系数以及高线性度和高生存能力的先进LNA。因此，GaN是所有高性能接收器系统的首选LNA技术，特别是在对抗扰性要求极高时，更加适用。”

总而言之，GaN技术已成为射频/微波行业的主要力量。未来，随着5G通信的成熟，其作用会进一步扩大。虽然GaN和PA齐头并进，但人们不应忽视业界正在利用该技术开发LNA的工作。现在是时候将精力和资源投入到GaN的研发工作中去了，因为它的未来很光明。