射频氮化镓GaN技术及其应用 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

A p p I i c a t i 。n sI 创新应用 射频氮化镓G a N 技术及其应用 周国强1 ，李维庆2 ，张一鸣3 ( 1 中北大学，山西0 3 0 0 5 1 ；2 西北工业大学，陕西7 1 0 0 7 2 ； 3 山东理工大学，山东2 5 5 0 4 9 ) 摘要：现在，为了把氮化镓器件推到更大的市场去，一些射频氮化镓厂商开始考虑在未来的手持 设备中使用氮化镓。对于现在的手机而言，氮化镓的性能过剩，价格又太贵。但将来支持下一代 通信标准( 即5 G ) 的手机，使用氮化镓是有可能的。 关键词：氮化镓；5 G ；智能手机 中图分类号：T N 3 0 4 _ 2 文献标识码：A文章编号：1 6 7 4 2 5 8 3 ( 2 0 1 6 ) 1 2 0 0 6 5 一0 4 D O I ：10 19 3 3 9 j i s s n 16 7 4 2 5 8 3 2 0 16 12 0 1 7 中文引用格式：周国强，李维庆，张一鸣射频氮化镓G a N 技术及其应用 J 集成电路应用 2 0 1 6 ，3 3 ( 1 2 ) ：6 5 6 8 R FG a N T e c h n o I o g ya n dI t sA p p c a t i o n Z H O UG u O q i a n g1 ，L IW e i q i n g2 ，Z H A N GY i m i n g3 ( 1 N o r t hC e n t r a IU n i V e r s i t y ，S h a n x i3 0 0 5 1 ，C h i n a ； 2 。N O r t h w e s l e r nP O I y t e c h n i c a lU n i V e r s i t y ，S h a a n x i7 10 0 7 2 ，C h i n a ； 3 S h a n d o n gU n i V e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，S h a n d o n g2 5 5 0 4 9 ，C h i n a ) A b s t r a c f ：I 、J o w ，i no r d e rt op u s hG a Nt ot h el a r g e rm a r k e t ，s o m em a n u f a c t u r e r sb e g a nl o c O n s i d e rt h eu s eo fR FG a No nh a n d h e I dd e V i c e si nt h ef u t ur e F O rn o w ，t h em o b i l ep h O n e ， G a I Ji sm o r ee x c e s sp e r f O r m a n c ea n dm o r ee x p e n s i V e B u lj nt h ef u t u r et os u p p o r tt h en e x t g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ( 5 G ) o ft h em o b _ | ep h o n e ，t h eu s eo fG a Ni sp o s s i b l e K e yw o r d ：G a N ，5 G ，i n t e I I i g e n lm o b _ I ep h O n e 1 引言 网络基础设施与反导雷达等领域都要求使用高性 能高功率密度的射频器件，这使得市场对于射频氮化镓 ( G a N ) 器件的需求不断升温 举个例子，现在的无线基站垦而，已经开始朋氮化 镓器件取代硅基射频器件，在基站设备上氮化镓器件 的使用得越来越广泛。氮化镓受青睐主要是因为它是宽 禁带( w i d e _ b a n d g a p ) 器件，与硅或者其他I I J V 价器件 相比，氮化镓速度更快，击穿电f 蕞也更高【IJ 二 氮化镓技术非常适合4 5 G 或5 G 系统，因为频率 越高，氮化镓的优势越明妊但对于手机而言，氮 化镓材料还有很多难题需要解决，例如功耗、散热 与成本图l 不同丁艺比较 2 氮化镓技术及其应用 2 1 氮化镓技术 氮化镓技术_ 1 以追溯到19 7 0 年代，美国无 线电公司( R c A ) 开发了一种氮化镓T 艺来制造 L E D现在市场上销售的很多L E D 就是使用蓝宝石 衬底的氮化镓技术K J 作者简介： 周国强，中北大学。研究方向：半导体材料与应用。 收稿日期：2 0 1 6 8 2 8 ；定稿日期：2 0 1 61 1 一1 2 。 集成电路应用第3 3 卷第1 2 期( 总第2 7 9 期) 2 0 1 6 年1 2 月 6 5 万方数据 创新应用IA p p I ；c a t ；。n s 围 图1 不同半导体材料的技术比较 ( 数据来源：O K I 半导体) 除了L E D ，氮化镓也被使用到了功率半导体与射 频器件上：基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。 氮化镓在6 0 0V 功率器件市场将占有主要优势：氮化镓 功率器件还是一个新事物，一时半会儿不会取代现在 6 0 0V 的主流技术功率M O S F E T 。要最大限度发挥 ( G a N 功率技术的) 作用，必须采用新型拓扑。 但射频氮化镓技术正在成为主流。根据s t r a t e g y A n a l ”i c s 的统计，2 0 15 年射频氮化镓市场规模达到3 亿 美元，该机构预测2 0 2 0 年射频氮化镓市场可达6 8 8 5 亿 美元( 图2 ) 。 现在能够提供射频氮化镓器件的厂商主要有科锐、 英飞凌、M a c o m 、恩智浦、O o r v o 和住友等厂商。( 英 飞凌在2 0 1 6 年已经宣布收购科锐的w o l f s p e e d 部门， w o l f s p e e d 提供碳化硅功率器件和碳化硅基氮化镓射频 器件) 。还有包括波音、N o n h r o pG m m m a n 和雷神等在 内的军工厂商也在开发氮化镓和其他I I I V 价技术。 氮化镓可用于制造场效应管( F E T ) 。平面氮化镓 场效应管和硅基的M O S F E T 类似，通过栅极控制电流从 源极流向漏极。 1 0 I SG a NR Fd e V I c e sm a r k e t B r e a k d o w nb ya P p c a t I o n v m 。、。P 1r - 二。i 、。1 ，7 一r ”：- ”9 一c i j 一l j ，| 、ro Ir-1 一1U T o T A L ：a b o u tU S S2 9 8m I I I i o n 6 6l 集成电路应用第3 3 卷第1 2 期( 总第2 7 9 期】2 0 1 6 年1 2 月 不过制造丁艺上氮化镓和c M O S 不同。氮 化镓的衬底是在高温下利用金属有机气相沉积 ( M O C v D ) 或者分子束外延( M B E ) 技术生长的二 氮化镓与一般半导体材料的最大区别是禁带更宽：禁 带宽度是表征价电子被束缚强弱程度的一个物理量， 禁带越宽，对价电子的束缚越紧，使价电子摆脱束缚 成为自由电子的能量越大。禁带宽度也决定r 自由移 动电子的质量。 氮化镓的禁带宽度是3 4e V ( 电子伏特) ，另一 种宽禁带材料碳化硅是3 3e V ，对比一下，现在的射 频工艺砷化镓( G a A s ) 的禁带宽度是1 4e V 而硅 是1 1e v 3 。 用氮化镓和碳化硅等宽禁带材料制造的芯片能够 承受更高的电压，所以与其他技术相比，输出能量密 度更高，可工作环境温度也更高：此外，氮化镓器件 在技术上还有很多优势，例如更高的输出阻抗二高输 出阻抗可以使氮化镓器件的阻抗匹配和功率组合更容 易，这样可以覆盖更宽的频率范围，提高射频功放器 件的适用性。 氮化镓器件有什么缺点呢? 缺点就是太贵。现在 绝大部分射频氮化镓器件是用又贵又小的碳化硅做衬 底生产的。氮化镓具备独特的宽禁带特性，但太贵。 除了成本，射频氮化镓器件也有一些其他的问 题。设计工程师需要精确的氮化镓器件模型来进行电 路仿真，完成现代通信系统所需要的高效率、高线性 度的功放阻抗匹配与偏置电路的设计。此外，工程师 正准备把氮化镓应用到一些新领域，例如包络跟踪、 数字预校正、谐波负载牵引测、歧仿真技术等二这些应 用都依赖极大的数据集，因为要求测试系统又快又准 确，还要自适应二 2 2 射频氮化镓技术与一V 价化合物 虽然氮化镓用到手机上还不现实，但业界还是要 关注射频氮化镓技术的发展：与砷化镓( G a A s ) 和 磷化铟( I n P ) 等高频工艺相比，氮化镓器件输出的 功率更大；与L D c M 0 s 和碳化硅( s i c ) 等功率工 艺相比，氮化镓的频率特性更好。 氮化镓器件的瞬时带宽更高，这一点很重要，载 波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是 为了得到更大的带宽j 这意味着覆盖系统的全部波段 和频道只需要更少的放大器： 氮化镓( G a N ) 、砷化镓( G a As ) 和磷化铟 ( I n P ) 是射频应用中常用的I I I v 价半导体材料， L D M 0 s ( 横向扩散M o s 技术) 是基于硅的射频技 万方数据 术，碳化硅( S i c ) 可用于功率或射频领域一 可以肯定的是，氮化镓不会统治整个射频应用， 设备厂商会像以前一样，根据应用选择不同的器件和 ：艺制程技术，包括V 价化合物与硅材料= 射频领 域还是有砷化镓与硅器件的市场空剐4 1 。 2 3 射频氮化镓技术与军事应用 射频氮化镓器件现在最大的市场是军事与航天领 域。大约十五年前，在美国圉防部的资助下，研究人 员开始投人到射频氮化镓技术的研究，这才催生了现 在的射频氮化镓器件市场： 根据S t r a t e g yA n a l y t i c s 的统计，国防和航天应用 占了射频氮化镓总市场规模的4 0 ，雷达和电子战系 统是射频氮化镓的最大应用市场： 2 0 1 6 年3 月，雷神公司宣布其爱国者导弹防御系 统采用了最新的基于氮化镓技术的天线系统：爱国者 导弹防御系统是一种陆基导弹防御系统，可拦截弹道 导弹、无人机和飞机： 旧爱国者系统采用的雷达技术被称为被动电 子扫描阵列，新雷达系统改为主动电子扫描阵列 ( A E S A ) ，主动电子扫描阵列将提供给爱国者系统 3 6 0 度的雷达能力：相信升级到基于氮化镓技术的主 动电子扫描阵列雷达，可以使爱国者系统保持对新型 进攻武器优势( 图3 ) 。 主动电子扫描阵列雷达是基于相控阵技术，相控 阵设备包含一组可以单独控制的天线，利用波束成形 技术，可以让这组天线转向不同的方向。 值得注意的是，这些技术正在从军用转向商用： 例如，主动电子扫描阵列和相控阵技术已经被用于 6 0G H z 毫米波w i F i 技术、汽车雷达系统和无线基站 等：此外，5 G 中将广泛采用相控阵技术。 同时，氮化镓工艺制造的功率放大器也已经用于 点对点通信的军用手持式无线电中。因此，供应商相 信手机中将来也会用上氮化镓器件： 2 4 射频氮化镓技术与商业应用 虽然已经用在了基站里面，但普通手机要用上射 频氮化镓技术，还需要等待很长的时间。一方面，移 动运营商正在竭力满足爆炸式增长的数据流量需求。 根据爱立信的预测，从2 0 1 5 年至2 0 2 1 年，全球移动 数据流量每年增长率为4 5 。 通过载波聚合可以缓解移动互联网对于数据带宽 的需求。载波聚合把不同频率的多个频谱组合成一个 完整频段，频段中的每一个频谱被称为载波单元。现 A p p I ；c a t ；。n sI 创新应用 图3 爱国者导弹 在的L T E 移动通信标准( R e l e a s e1 0 ) 最大可以将5