手機要用上GaN，還有哪些難題需要解決？

網(wǎng)絡基礎設施與反導雷達等領域都要求使用高性能高功率密度的射頻器件,這使得市場對于射頻氮化鎵(GaN)器件的需求不斷升溫。

舉個例子,現(xiàn)在的無線基站里面,已經(jīng)開始用氮化鎵器件取代硅基射頻器件,在基站設備上,氮化鎵器件的使用得越來越廣泛。氮化鎵受青睞主要是因為它是寬禁帶(wide-bandgap)器件,與硅或者其他三五價器件相比,氮化鎵速度更快,擊穿電壓也更高。

現(xiàn)在,為了把氮化鎵器件推到更大的市場去,一些射頻氮化鎵廠商開始考慮在未來的手持設備中使用氮化鎵。對于現(xiàn)在的手機而言,氮化鎵的性能過剩,價格又太貴。但將來支持下一代通信標準(即5G)的手機,使用氮化鎵是有可能的。

氮化鎵技術非常適合4.5G或5G系統(tǒng),因為頻率越高,氮化鎵的優(yōu)勢越明顯。但對于手機而言,氮化鎵材料還有很多難題需要解決,例如功耗、散熱與成本。

不同工藝比較(數(shù)據(jù)來源于OKI半導體)

雖然氮化鎵用到手機上還不現(xiàn)實,但業(yè)界還是要關 注射頻氮化鎵技術的發(fā)展。“與砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)等高頻工藝相比,氮化鎵器件輸出的功率更大;與LDCMOS和碳化硅(SiC)等功率工藝相比,氮化鎵的頻率特性更好。” 分析機構Strategy Analytics的分析師Eric Higham說。

“氮化鎵器件的瞬時帶寬更高,這一點很重要,載波聚合技術的使用以及準備使用更高頻率的載波都是為了得到更大的帶寬?！盚igham說,“這意味著覆蓋系統(tǒng)的全部波段和頻道只需要更少的放大器?！?

氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)是射頻應用中常用的三五價半導體材料,LDMOS(橫向擴散MOS技術)是基于硅的射頻技術,碳化硅(SiC)可用于功率或射頻領域。

可以肯定的是,氮化鎵不會統(tǒng)治整個射頻應用,設備廠商會像以前一樣,根據(jù)應用選擇不同的器件和工藝制程技術,包括三五價化合物與硅材料?！?射頻領域)還是有砷化鎵與硅器件的市場空間?！盙lobalFoundries射頻市場總監(jiān)Peter Rabbeni說道。

氮化鎵技術可以追溯到1970年代,美國無線電公司(RCA)開發(fā)了一種氮化鎵工藝來制造LED。現(xiàn)在市場上銷售的很多LED就是使用藍寶石襯底的氮化鎵技術。

除了LED,氮化鎵也被使用到了功率半導體與射頻器件上。 基于氮化鎵的功率芯片正在市場站穩(wěn)腳跟?！拔覀兿嘈?氮化鎵在600V功率器件市場將占有主要優(yōu)勢?！庇w凌氮化鎵全球應用工程經(jīng)理Eric Persson說道。

氮化鎵功率器件還是一個新事物,一時半會兒不會取代現(xiàn)在600V的主流技術--功率MOSFET。“要最大限度發(fā)揮(GaN功率技術的)作用,必須采用新型拓撲。”Persson說道。

但射頻氮化鎵技術正在成為主流。根據(jù)Strategy Analytics的統(tǒng)計,2015年射頻氮化鎵市場規(guī)模達到3億美元,該機構預測2020年射頻氮化鎵市場可達6.885億美元。

2015年射頻氮化鎵應用市場分布圖

(數(shù)據(jù)來源于YOLE)

現(xiàn)在能夠提供射頻氮化鎵器件的廠商主要有科銳、英飛凌、Macom、恩智浦、Qorvo和住友等廠商。(英飛凌在2016年7月已經(jīng)宣布收購科銳的Wolfspeed部門,Wolfspeed提供碳化硅功率器件和碳化硅基氮化鎵射頻器件)。還有包括波音、Northrop Grumman和雷神等在內(nèi)的軍工廠商也在開發(fā)氮化鎵和其他三五價技術。

氮化鎵可用于制造場效應管(FET)。平面氮化鎵場效應管和硅基的MOSFET類似,通過柵極控制電流從源極流向漏極。

不過制造工藝上氮化鎵和CMOS不同。氮化鎵的襯底是在高溫下利用金屬有機氣相沉積(MOCVD)或者分子束外延(MBE)技術生長的。氮化鎵與一般半導體材料的最大區(qū)別是禁帶更寬。禁帶寬度是表征價電子被束縛強弱程度的一個物理量,禁帶越寬,對價電子的束縛越緊,使價電子擺脫束縛成為自由電子的能量越大。禁帶寬度也決定了自由移動電子的質(zhì)量。

氮化鎵的禁帶寬度是3.4 eV(電子伏特),另一種寬禁帶材料碳化硅是3.3eV,對比一下,現(xiàn)在的射頻工藝砷化鎵(GaAs)的禁帶寬度是1.4eV,而硅是1.1eV。

用氮化鎵和碳化硅等寬禁帶材料制造的芯片能夠承受更高的電壓,所以與其他技術相比,輸出能量密度更高,可工作環(huán)境溫度也更高?！按送?氮化鎵器件在技術上還有很多優(yōu)勢,例如更高的輸出阻抗。高輸出阻抗可以使氮化鎵器件的阻抗匹配和功率組合更容易,這樣可以覆蓋更寬的頻率范圍,提高射頻功放器件的適用性?！盢I AWR事業(yè)部技術市場總監(jiān)David Vye說道。

氮化鎵器件有什么缺點呢?缺點就是太貴了,現(xiàn)在絕大部分射頻氮化鎵器件是用又貴又小的碳化硅做襯底生產(chǎn)的。氮化鎵具備獨特的寬禁帶特性,但太貴了!

除了成本,射頻氮化鎵器件也有一些其他的問題?！霸O計工程師需要精確的氮化鎵器件模型來進行電路仿真,完成現(xiàn)代通信系統(tǒng)所需要的高效率、高線性度的功放阻抗匹配與偏置電路設的設計?！盫ye說道,“此外,工程師正準備把氮化鎵應用到一些新領域,例如包絡跟蹤、數(shù)字預校正、諧波負載牽引測試仿真技術等。這些應用都依賴極大的數(shù)據(jù)集,因為要求測試系統(tǒng)又快又準確,還要自適應?！?

然而,射頻氮化鎵器件現(xiàn)在最大的市場是軍事與航天領域。大約十五年前,在美國國防部的資助下,研究人員開始投入到射頻氮化鎵技術的研究,這才催生了現(xiàn)在的射頻氮化鎵器件市場。

根據(jù)Strategy Analytics的統(tǒng)計,國防和航天應用占了射頻氮化鎵總市場規(guī)模的40%,雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)是射頻氮化鎵的最大應用市場。

今年3月,雷神公司宣布其愛國者導彈防御系統(tǒng)采用了最新的基于氮化鎵技術的天線系統(tǒng)。愛國者導彈防御系統(tǒng)是一種陸基導彈防御系統(tǒng),可攔截彈道導彈、無人機和飛機。

舊愛國者系統(tǒng)采用的雷達技術被稱為被動電子掃描陣列,新雷達系統(tǒng)改為主動電子掃描陣列(AESA),主動電子掃描陣列將提供給愛國者系統(tǒng)360度的雷達能力。

“雷神相信,升級到基于氮化鎵技術的主動電子掃描陣列雷達,可以使愛國者系統(tǒng)保持對新型進攻武器優(yōu)勢?！崩咨窨罩泻蛯椌C合防御業(yè)務發(fā)展副總裁Tim Glaeser說道。

主動電子掃描陣列雷達是基于相控陣技術,相控陣設備包含一組可以單獨控制的天線,利用波束成形技術,可以讓這組天線轉(zhuǎn)向不同的方向。 值得注意的是,這些技術正在從軍用轉(zhuǎn)向商用。例如,主動電子掃描陣列和相控陣技術已經(jīng)被用于60GHz毫米波Wi-Fi技術、汽車雷達系統(tǒng)和無線基站等。此外,5G中將廣泛采用相控陣技術。

同時,氮化鎵工藝制造的功率放大器也已經(jīng)用于點對點通信的軍用手持式無線電中。因此,供應商相信手機中將來也會用上氮化鎵器件。

雖然已經(jīng)用在了基站里面,但普通手機要用上射頻氮化鎵技術,還需要等待很長的時間。

一方面,移動運營商正在竭力滿足爆炸式增長的數(shù)據(jù)流量需求。根據(jù)愛立信的預測,從2015年至2021年,全球移動數(shù)據(jù)流量每年增長率為45%。 通過載波聚合可以緩解移動互聯(lián)網(wǎng)對于數(shù)據(jù)帶寬的需求。載波聚合把不同頻率的多個頻譜組合成一個完整頻段,頻段中的每一個頻譜被稱為載波單元?，F(xiàn)在的LTE移動通信標準(Release 10)最大可以將5個載波單元(每個載波單元20MHz帶寬)組合起來,以實現(xiàn)100MHz帶寬。

以后,移動運營商將會公布新標準LTE Advanced Pro,也被稱為4.5G技術。LTE Advanced Pro最多可以組合32個載波單元,并會整合大規(guī)模多入多出技術(Massive MIMO)和非授權波段LTE技術。大規(guī)模多入多出技術已經(jīng)在基站中被采用,可以利用多根天線來提升通信容量。

載波聚合和大規(guī)模多入多出技術促使基站去采用性能更好的功放?；局幸郧安捎玫纳漕l功放主要基于LDMOS技術,但Qorvo的人員表示,LDMOS技術的極限頻率不超過3.5GHz,也不能滿足視頻應用所需的300MHz以上帶寬。

因為上述暈啊因,基站開始采用射頻氮化鎵器件來替代LDMOS器件?！癓DMOS器件物理上已經(jīng)遇到極限,”Qorvo無線基礎設施產(chǎn)品部總經(jīng)理Sumit Tomar說道,“這就是氮化鎵器件進入市場的原因?；緫眯枰叩姆逯倒β?、更寬的帶寬以及更高的頻率,這些因素都促成了基站接受氮化鎵器件?！?

制造氮化鎵器件有兩種方式,一種是Qorvo和其他大多數(shù)廠商都采用的基于碳化硅的氮化鎵射頻工藝,一種是Macom主導的基于硅的氮化鎵射頻工藝。

兩種工藝各有優(yōu)劣。根據(jù)Qorvo的說法,相比基于硅的氮化鎵,基于碳化硅的氮化鎵工藝有更高的功率密度、更好的熱傳導性。

不過硅襯底比碳化硅襯底更便宜。Macom正在計劃將生產(chǎn)工藝從6英寸升級到8英寸,從而進一步降低基于硅的氮化鎵射頻工藝 現(xiàn)在大多數(shù)基于碳化硅的氮化鎵還是采用3英寸或4英寸晶圓生產(chǎn),因此成本非常高,Qorvo計劃今年年底采用6英寸晶圓來生產(chǎn)基于碳化硅的氮化鎵?！吧壱院驫orvo基于碳化硅的氮化鎵器件的產(chǎn)能大約翻一倍,”Qorvo物理器件研究員 Jose Jimenez說道,“采用大尺寸晶圓生產(chǎn)氮化鎵器件以后,無線基礎設施和商用市場都可以用上更便宜的氮化鎵器件。”

當然,最大的疑問還是智能手機能否用射頻氮化鎵工藝來做功放?，F(xiàn)在的4G手機不會用到氮化鎵器件,但未來的手機前端將有機會用到射頻氮化鎵工藝。

如今的手機射頻前端模組包括功率放大器、射頻開關及其他元器件(濾波器等)。用于放大輸入信號的功率放大器通常采用砷化鎵工藝。射頻開關用于選擇從功放到天線的信號路徑,通常采用RF SOI工藝。

在2G和3G時代,手機射頻前端都比較簡單,2G有四個波段,3G有5個波段。但4G出現(xiàn)以后,射頻前端變得非常復雜,全球4G波段超過40個,而全球銷售的手機射頻模組必須支持這些4G標準。

“標準還在向前發(fā)展,特別是載波聚合技術引入以后。這些標準推廣開以后,要滿足標準的要求就給技術上提出了更多的挑戰(zhàn)?！盙lobalFoundries的Rabbeni說道,“ 看一下(手機的)整體架構,在天線和射頻SoC之間增加了越來越多的元器件,這將影響到射頻性能,例如插入損耗和線性度。所以我們一直被客戶督促著提供更好性能的射頻工藝,特別是低噪聲放大器、功率放大器和開關?！?

一個例子是現(xiàn)在的智能手機開始采用多模多頻功率放大器。一部智能手機可能只需要采用兩顆(或許還要多些)功率放大器就能夠支持全球4G制式。

雖然有不足,但智能手機廠商還是傾向于使用傳統(tǒng)砷化鎵工藝制造的功率放大器?！吧榛壋杀镜?性能也夠用?！盨trategy Analytics的Higham說道。

既然現(xiàn)在手機在射頻方面已經(jīng)遇到了困難,為什么不用射頻氮化鎵工藝制造的功率放大器呢?“氮化鎵器件天生適用于高壓(大于10V)應用,雖然氮化鎵的高功率密度有可能減小功放的芯片面積?！迸_灣Wavetek銷售市場高級經(jīng)理Domingo Huang說道,臺灣Wavetek是聯(lián)電旗下的一個專門從事砷化鎵代工的子公司。

“但現(xiàn)在手機使用的電壓范圍是3至5V,在這種電壓下,氮化鎵的性能要打很大折扣,”Huang說道,“氮化鎵的高成本是阻止其進入消費電子領域的另一個障礙。如果將來智能手機的前端可以采用更高的電壓供電,那么氮化鎵技術或許是一個很好的備選項,當然,首先要解決的是成本太高的問題?！?

如上所述,氮化鎵功放適合3GHz以上的應用。4G后面的5G技術將會使傳輸速率達到10Gbps,是目前4G速度的100倍,所以5G手機里面氮化鎵技術應該能有一席之地。

預計2020年5G開始大規(guī)模商用部署,到時候5G不但兼容4G網(wǎng)絡,還會使用非授權或毫米波波段。毫米波指頻率為30GHz到300GHz的電磁波(譯者注:波長為10毫米到1毫米,不過現(xiàn)在美日韓等國試驗的28GHz頻段也被歸為毫米波)。

“4G手機里面的射頻器件主要是砷化鎵和SOI,”Qorvo的Tomar說道,“5G時代,砷化鎵和SOI器件還會需要,同時也會采用氮化鎵器件,尤其是在高頻段?！?

不過,射頻氮化鎵要進入5G手機還需要克服現(xiàn)有的一些難點。根據(jù)Qorvo的博客,氮化鎵技術進入手機的困難主要在于以下三點:

手機應用需要氮化鎵器件工作在低電壓環(huán)境

必須設計新封裝形式以滿足散熱要求

成本太高

同時,砷化鎵與其他三五價工藝也在開發(fā)高頻應用技術,如果成功的話,有可能會讓氮化鎵維持在小眾市場。

為了推進氮化鎵工藝,業(yè)界或許要重新考慮氮化鎵工藝的整體架構?！艾F(xiàn)在氮化鎵并不是最適合手機射頻功放的技術,”Qorvo的Jimenez說道,“一種可能是改變氮化鎵的結(jié)構。氮化鎵采用的是場效應管(FET)結(jié)構,而手機功放則是用異質(zhì)雙結(jié)型晶體管(HBT)結(jié)構,HBT結(jié)構的效率和線性度更好。”

射頻氮化鎵器件可以考慮垂直結(jié)構,或者加入新的溝道材料和絕緣介質(zhì),以使其適應低電壓的工作環(huán)境。

另外,氮化鎵工藝必須縮小工藝尺寸?，F(xiàn)在氮化鎵工藝尺寸正在從0.25微米至0.5微米向0.15微米轉(zhuǎn)換,一些領導廠商甚至在嘗試60納米。

只有時間才能檢驗射頻氮化鎵工藝能否適合手機應用,不過射頻氮化鎵工藝已經(jīng)在改變整個格局。