AI芯天下 | 技术：硅基氮化镓，5G时代的倚天剑

数十年来，横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）技术在商业应用中的射频半导体市场领域起主导作用。如今，这种平衡发生了转变，硅基氮化镓（GaN－on－Si）技术成为接替传统LDMOS技术的首选技术。

与LDMOS相比，硅基氮化镓的性能优势已牢固确立——它可提供超过70％的功率效率，将每单位面积的功率提高4到6倍，并且可扩展至高频率。同时，综合测试数据已证实，硅基氮化镓符合严格的可靠性要求，其射频性能和可靠性可媲美甚至超越昂贵的碳化硅基氮化镓（GaN－on－SiC）替代技术。

硅基氮化镓器件工艺能量密度高、可靠性高，晶圆可以做得很大，目前在8英寸，未来可以做到10英寸、12英寸，晶圆的长度可以拉长至2米。硅基氮化镓器件具有击穿电压高、导通电阻低、开关速度快、零反向恢复电荷、体积小和能耗低、抗辐射等优势。理论上相同击穿电压与导通电阻下的芯片面积仅为硅的千分之一，目前能做到十分之一。

如果说硅基氮化镓器件有什么缺点，那就是单品的价格偏贵。但据我们了解，使用了这种器件后，所需要的配套外围电子元件、冷却系统成本大幅降低。虽然论单个器件成本，氮化镓比硅基器件贵，但是论系统整体成本，氮化镓与硅基器件的成本差距已经非常小，在大规模量产后可实现比硅器件更高性能与更低成本。

鉴于5G基础设施扩建将以前所未有的节奏和规模进行，人们越来越关注硅基氮化镓相对于LDMOS和碳化硅基氮化镓的成本结构、制造和快速应对能力以及供应链的灵活性和固有可靠性。作为新一代无线基础设施独一无二的出色半导体技术，硅基氮化镓有望以LDMOS成本结构实现优异的氮化镓性能，并且具备支持大规模需求的商业制造扩展能力。

日前，意法半导体和MACOM联合宣布将硅基氮化镓技术引入主流射频市场和应用领域的计划，这标志着氮化镓供应链生态系统的重要转折点。这次合作有望使硅基氮化镓技术经济高效地部署和扩展到4G LTE基站以及大规模MIMO 5G天线领域。

其中天线配置的绝对密度对功率和热性能具有极高的价值，特别是在较高频率下。经过适当开发，硅基氮化镓的功率效率优势将对无线网络运营商的基站运营费用产生深远影响。

无独有偶，意法半导体和CEA Tech旗下之研究所Leti宣布合作研发硅基氮化镓（GaN）功率切换元件制造技术。该硅基氮化镓功率技术将让意法半导体满足高效能、高功率的应用需求，包括混动和电动汽车车载充电器、无线充电和伺服器。

而这次合作计划之重点是在200mm晶圆上开发和验证制造先进硅基氮化镓架构的功率二极体和电晶体。研究公司HIS预测，该市场将在2024年前将保持超过20％的年复合成长率。意法半导体和Leti利用IRT奈米电子研究所的框架计划，在Leti的200mm研发线上开发制程技术，预计在2019年完成可供验证的工程样品。同时，意法半导体还将建立一条高品质生产线，包括GaN／Si异质磊晶制程，并计划2020年前在法国图尔前段制程晶圆厂进行首次生产。

硅基氮化镓从早期研发到商业规模应用的发展历程无疑是一次最具颠覆性的技术革新过程，为射频半导体行业开创了一个新时代。