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前景广阔:用于更高性能微波和毫米波系统的GaN的演变
录入时间:2022/9/26 19:19:01

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前景广阔:用于更高性能微波和毫米波系统的GaN的演变

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在2000年代后期和整个2010年代,GaN III/V半导体技术被大力吹捧为颠覆性技术,可完美适合RF和功率应用。尽管GaN技术产生了令人印象深刻的功率和宽带放大器解决方案(参见图1),但在设计、制造和实施GaN器件方面也面临诸多挑战。工艺进步和R&D努力持续消除着这些挑战,并进一步探索技术极限,如令人难以置信的宽带放大、工作频率高达数百GHz的GaN器件、新型GaN晶体管——甚至GaN-CMOS工艺。2–8

图1 MMIC PA CW输出功率(InP、GaAs和GaN技术对比)。8

GaN的变体和应用

在考虑GaN器件时,各种不同的材料和工艺变体以及技术变体导致器件更适合某些应用。通常情况下,在讨论用于RF、微波和毫米波应用的GaN时,重点是GaN HEMT。但最近正在研究并寻求将GaN晶体管与其他工艺集成,例如GaAs和CMOS。

常用变体包括绝缘体上GaN组合,例如SiC基GaN和Si基GaN。不常用变体是GaN基GaN和金刚石基GaN。通常情况下,SiC基GaN和Si基GaN的工艺成熟度和成本是绝缘体上GaN变体最常用的原因。这些变体也是一些当前和新兴应用的最佳选择,例如毫米波功率放大器(PA)、宽带放大器和5G/6G电信系统。

功率放大

图2 半导体技术击穿电压、BV、截止频率、fT(a)和材料特性(b)的比较。4

GaN晶体管PA特性通常比Si、SiC、InP、SiGe和GaAs器件更好(参见图2)。主要原因是与Si或GaAs器件相比,GaN的击穿电压和功率增加效率(PAE)更高。SiC基GaN优于Si基GaN,尽管每个Si基GaN器件的成本往往低于在相同频率范围内工作的SiC基GaN器件。Si基板的较高外延缺陷和较低热导率是导致Si基GaN在用于PA方面不如SiC基GaN的主要原因。另一个有利方面是GaN的宽工作温度范围,超过SiC,使GaN适用于航空航天、国防和太空应用。9 GaN HEMT还表现出比其他III/V族半导体更高的机械稳健性。

这些能力使GaN PA具有极高的功率密度和良好PAE,甚至在毫米波下也是如此。耐用性和工作温度能力使GaN HEMT几乎可以用于任何应用。

宽带放大

这些相同因素促使GaN HEMT应用于宽带放大器。在宽带上运行的许多仪器和通信系统受到成本和尺寸约束。将多个较低带宽的发射器与开关矩阵和多路复用器组合以覆盖更宽的带宽,会增加系统复杂性,且通常会增加系统尺寸和成本。除了费用,与使用单个宽带PA相比,组合还会增加损耗、降低效率并降低性能。与组合多个GaAs、Si、SiGe或SiC PA相比,单个GaN PA提供了性能优势,且成本可能更低。设计创新扩展了GaN放大器的带宽,例如片上行波功率合成器电路和非均匀分布式PA(NDPA)设计。1

低噪声放大

低噪声放大器(LNA)尽管以前被视为是国防和航空航天系统中的细分应用,但高生存性低噪声放大器(LNA)在需要处理高功率干扰信号的应用中越来越受到关注。GaAs和InP LNA通常在变得不敏感或损坏之前会有有限的最大信号输入。为了保护敏感LNA,在LNA的输入端使用了限幅器和其他保护装置(例如可变衰减器)以进行有效保护。然而,包括ESD保护装置的保护器件会增加插入损耗,并降低噪声系数,从而限制接收器灵敏度。由于GaN晶体管在损坏之前具有更高的击穿电压和功率容量,因此GaN LNA可以消除对限幅器或其他前端保护电路的需求。尽管当前GaN LNA的噪声系数可能没有GaAs LNA低,但消除接收器保护电路的损耗时会产生接近相同的系统噪声系数。

开关

GaN FET和PIN二极管现在用作开关元件。最新GaN开关具有相对较低的导通电阻和关闭状态电容,且GaN开关受益于高击穿电压,这使得GaN开关具有比GaAs开关更高的功率容量——几十瓦相对于几瓦或以下。

GaN开关可以降低信号链的复杂性,并提高系统效率。由于GaN在比GaAs或InP高得多的温度下工作,因此与其他III-V半导体相比,GaN开关适用于环境温度更高或功率水平更高的应用。

5G和6G PA

5G和未来6G系统的动态网络性能为试图实现最高输出功率和效率的RF硬件设计人员带来挑战。5G和6G系统将工作频率推向更高的毫米波和亚太赫兹,且调制带宽较宽,以达到所需的数据速率。随着MIMO和波束赋形天线的采用,系统复杂性将显著增加,这些天线需要一个收发器矩阵,以实现可接受的链路距离和同时多个用户的功率水平。在许多情况下,这些复杂基站(每个基站都配有天线和收发器阵列)将在恶劣环境中运行,无论户外、工业环境或航空航天和国防系统——所有基站都需要紧凑、坚固耐用的硬件。

这是GaN HEMT有前景优势的应用领域。对于相同输出功率,GaN PA在阵列中启用的元件少于GaAs PA。相较GaAs,GaN HEMT可以更有效地在更高温度下运行,因此可以使用GaN构建比使用GaAs具有可比性甚至更高性能的有源天线系统,从而使得系统体积更小和成本更低。

技术进步

GaN技术一直持续开发数十年,早期GaN HEMT已经商业推出近十年。商业化使GaN能够进入各种应用,这激发了人们对将GaN用于更高频率和更具挑战性的应用的兴趣。技术发展已转向将GaN器件与其他半导体集成到模块中,例如与CMOS兼容的GaN工艺。

多芯片模块(MCM)

尽管CMOS和GaN或GaAs的片上集成可能具有未来意义,但当前进步已经实现GaN和GaAs的MCM集成。10,11 GaN更适合功率和宽带放大、GaAs LNA、开关、混频器和其他有源电路功能完善,且价格适当。如果使用组装在印刷电路板上的分立元件以实现这种电路功能,则结合GaN和GaAs器件的MCM可以使收发器使用每种半导体的最佳商用工艺,同时最大限度减少尺寸、重量和互连复杂性。

毫米波及其他

图2示出了GaN具有高得多的临界电场和能隙,约为GaAs、Si和InP的3倍,且饱和速度接近于InP。这些表明GaN非常适合制造高功率和高压毫米波器件,因为更高的临界电场和能隙可实现更高的击穿电压,从而提高工作电压。较高饱和速度导致半导体可以处理更大电流密度。

图3 MMIC PA从PHEMT到GaN的演变。8

这些因素以及GaN承受宽温度梯度和许多热循环的能力使其适用于毫米波应用,在这些应用中,固有器件损耗更高,且在放大和开关过程中会产生热量。由于GaN的热导率(约1-3 W/cm·K)大于GaAs和InP,因此GaN器件在高功率下的散热性能本来就更好。

对于相同输出功率,GaN器件的尺寸仅为GaAs和InP器件的一小部分。多个晶体管集成在同一芯片上时,显著减小器件尺寸可减少片上布线和组合损耗。GaN的尺寸和功率优势非常显著(参见图3)。

纵向晶体管

通常,GaN器件已制造为在Si或SiC基板上的横向异质结AlGaN/GaN HEMT。横向GaN技术愈发成熟,并可能达到其电压和功率极限。在高电压和高功率下,横向器件比纵向器件需要大得多的芯片面积。通常情况下,纵向器件可以更小面积提供更高的功率,因为纵向器件从纵向进入块状材料时可承受更高的阻断电压。4,12 纵向器件的其他好处是电流扩散和热管理。

图4 最先进的纵向和横向GaN二极管和晶体管的Ron与击穿电压之间关系。12

纵向GaN晶体管还处于开发的早期阶段。纵向晶体管技术可能是GaN基GaN12,因为GaN基GaN同质外延层的位错密度低于Si基GaN或SiC基GaN。尽管GaN基GaN晶圆价格历来较高,但在过去几年成本一直在稳步下降,且正推出更大晶圆。纵向GaN晶体管已实现大于1kV的击穿电压和接近100A的电流处理能力12。高压GaN晶体管发展可能需要开发增强型器件,这可能是GaN沟槽MOSFET,甚至是FinFET(参见图4)。该图示出了纵向和横向GaN二极管和晶体管的Ron及击穿电压性能,以及1D单极Si和SiC器件的性能。

GaN和CMOS兼容性

正加大研发投入,以开发与CMOS兼容的GaN工艺。5,13-18 Si基板上的GaN外延技术发展迅速,并将在不久实现GaN-CMOS工艺。由于Au金属化与CMOS工艺不兼容,该工艺用替代品代替了GaN的Au欧姆接触金属。可能替代品是Ti、Al、Ni或TiN组合,而非典型的Ti/Al/Ni/Au欧姆接触金属叠层。13 带有Cu或Al导体层的TiN扩散势垒/肖特基金属可以代替金属栅极,而非具有Au导体层的典型Ni肖特基栅极。14

CMOS兼容GaN可以使Si基GaN高频和高功率器件与CMOS制造的数字、存储器、信号处理、模数和数模电路集成在同一IC上。这种能力将使包含RF前端、调制、解调、波束赋形、MIMO、信号处理和其他通信或传感功能的整个收发器能够集成。这可能导致将多个GaN收发器通道与高性能FPGA内核配对,从而实现相控阵天线的单芯片解决方案。

总结

随着GaN技术为各种RF应用带来性能和系统优势,成本将继续降低,从而为开发更好的GaN基技术和开发GaN-CMOS工艺提供投资周期。具备毫米波和亚太赫兹性能以及更高功率和工作电压的器件将使GaN应用更加广泛。

参考文献

1.     K. Harrouche and F. Medjdoub, “GaN-based HEMTs for mm-wave Applications,” Nitride Semiconductor Technology: Power Electronics and Optoelectronic Devices, 2020, Web: hal.archives-ouvertes.fr/hal-03287288.

2.     “Gallium Nitride Semiconductor Devices Market Report, 2030,” Grand View Research, Web: www.grandviewresearch.com/industry-analysis/gan-gallium-nitride-semiconductor-devices-market.

3.     “GaN RF MARKET APPLICATIONS, PLAYERS, TECHNOLOGY, SUBSTRATES - MARKET UPDATE 2021,” Yole Développement, Web: www.yole.fr/GaN_RF_Market_Update_2021.aspx.

4.     “Monolithic Microwave IC Market Size - Growth Trends 2028,” Global Market Insights Inc., Web: www.gminsights.com/industry-analysis/monolithic-microwave-ic-market.

5.     A.-C. Liu et al., “The Evolution of Manufacturing Technology for GaN Electronic Devices,” Micromachines, Vol. 12, No. 7, Article No. 7, July 2021.

6.     T. M. Research, “GaN on Silicon Technology Market Growth, Trends and Forecasts | 2019 – 2027,” Digital Journal, Web: www.digitaljournal.com/pr/gan-on-silicon-technology-market-growth-trends-and-forecasts-2019-2027.

7.     “GaN on Silicon Technology Market,” Transparency Market Research, Web: www.transparencymarketresearch.com/gan-on-silicon-technology-market.html.

8.     “Heterogeneous Integration Roadmap 2021 Edition, Chapter 12: 5G Communication,” Nov. 2021, Web: eps.ieee.org/images/files/HIR_2021/ch12_5G.pdf.

9.     R. Chen and F. F. Wang, “SiC and GaN Devices With Cryogenic Cooling,” IEEE Open J. Power Electron, Vol. 2, 2021, pp. 315–326.

10.   “Qorvo Wins U.S. Government Project to Create Advanced, State-of-the-Art, RF Semiconductor Packaging Center,” Microwave Journal, Nov. 2020, Web: www.microwavejournal.com/articles/34910-qorvo-wins-us-government-project-to-create-advanced-state-of-the-art-rf-semiconductor-packaging-center.

11.   J. McHale, “GaN in Space, Military RF trends - Military Embedded Systems,” O. Media, June 2021, Web: dev007.militaryembedded.com/from-the-editor/gan-in-space-military-rf-trends.

12.   K. Hoo Teo et al., “Emerging GaN Technologies for Power, RF, Digital, and Quantum Computing Applications: Recent Advances and Prospects,” J. Appl. Phys., Vol. 130, No. 16, Oct. 2021, pp. 160902.

13.   X. Li, S. Gao, Q. Zhou, X. Liu, W. Hu and H. Wang, “Fabrication and Performance of Ti/Al/Ni/TiN Au-Free Ohmic Contacts for Undoped AlGaN/GaN HEMT,” IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 67, No. 5, May 2020, pp. 1959–1964.

14.   T. Kawanago et al., “Advantage of TiN Schottky Gate Over Conventional Ni for Improved Electrical Characteristics in AlGaN/GaN HEMT,” 2013 Proceedings of the European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC), Sept. 2013, pp. 107–110.

15.   M. Ho Kwan et al., “CMOS-Compatible GaN-on-Si Field-Effect Transistors for High Voltage Power Applications.” IEEE International Electron Devices Meeting, 2014, Web: ieeexplore.ieee.org/document/7047073.

16.   K. Y. Wong et al., “A Next Generation CMOS-compatible GaN-on-Si Transistors for High Efficiency Energy Systems,” IEEE Int. Electron Devices Meet, IEDM, 2015.


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