手機要用上GaN，還有哪些難題需要解決？

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施與反導(dǎo)雷達(dá)等領(lǐng)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(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)(即5G)的手機,使用氮化鎵是有可能的。

氮化鎵技術(shù)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(dǎo)體)

雖然氮化鎵用到手機上還不現(xiàn)實,但業(yè)界還是要關(guān) 注射頻氮化鎵技術(shù)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(gòu)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(shù)的使用以及準(zhǔn)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(yīng)用中常用的三五價半導(dǎo)體材料,LDMOS(橫向擴散MOS技術(shù))是基于硅的射頻技術(shù),碳化硅(SiC)可用于功率或射頻領(lǐng)域。

可以肯定的是,氮化鎵不會統(tǒng)治整個射頻應(yīng)用,設(shè)備廠商會像以前一樣,根據(jù)應(yīng)用選擇不同的器件和工藝制程技術(shù),包括三五價化合物與硅材料?！?射頻領(lǐng)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(shù)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?，F(xiàn)在市場上銷售的很多LED就是使用藍(lán)寶石襯底的氮化鎵技術(shù)。

除了LED,氮化鎵也被使用到了功率半導(dǎo)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(yīng)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(shù)--功率MOSFET?！耙畲笙薅劝l(fā)揮(GaN功率技術(shù)的)作用,必須采用新型拓?fù)??！盤ersson說道。

但射頻氮化鎵技術(shù)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(dá)到3億美元,該機構(gòu)預(yù)測2020年射頻氮化鎵市場可達(dá)6.885億美元。

2015年射頻氮化鎵應(yīng)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(shù)。

氮化鎵可用于制造場效應(yīng)管(FET)。平面氮化鎵場效應(yīng)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(shù)生長的。氮化鎵與一般半導(dǎo)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(shù)相比,輸出能量密度更高,可工作環(huán)境溫度也更高。“此外,氮化鎵器件在技術(shù)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。”NI AWR事業(yè)部技術(shù)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(shè)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(shè)的設(shè)計?！盫ye說道,“此外,工程師正準(zhǔn)備把氮化鎵應(yīng)用到一些新領(lǐng)域,例如包絡(luò)跟蹤、數(shù)字預(yù)校正、諧波負(fù)載牽引測試仿真技術(shù)等。這些應(yīng)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(zhǔn)確,還要自適應(yīng)?！?

然而,射頻氮化鎵器件現(xiàn)在最大的市場是軍事與航天領(lǐng)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(shù)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(yīng)用占了射頻氮化鎵總市場規(guī)模的40%,雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)是射頻氮化鎵的最大應(yīng)用市場。

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

舊愛國者系統(tǒng)采用的雷達(dá)技術(shù)被稱為被動電子掃描陣列,新雷達(dá)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(dá)能力。

“雷神相信,升級到基于氮化鎵技術(shù)的主動電子掃描陣列雷達(dá),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?dǎo)彈綜合防御業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Tim Glaeser說道。

主動電子掃描陣列雷達(dá)是基于相控陣技術(shù),相控陣設(shè)備包含一組可以單獨控制的天線,利用波束成形技術(shù),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(shù)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(shù)已經(jīng)被用于60GHz毫米波Wi-Fi技術(shù)、汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)和無線基站等。此外,5G中將廣泛采用相控陣技術(shù)。

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(yīng)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(shù),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(yù)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(biāo)準(zhǔn)(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(biāo)準(zhǔn)LTE Advanced Pro,也被稱為4.5G技術(shù)。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(shù)(Massive MIMO)和非授權(quán)波段LTE技術(shù)。大規(guī)模多入多出技術(shù)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(shù)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(shù),但Qorvo的人員表示,LDMOS技術(shù)的極限頻率不超過3.5GHz,也不能滿足視頻應(yīng)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。“LDMOS器件物理上已經(jīng)遇到極限,”Qorvo無線基礎(chǔ)設(shè)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?yīng)用需要更高的峰值功率、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(dǎo)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(dǎo)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(chǔ)設(shè)施和商用市場都可以用上更便宜的氮化鎵器件?！?

當(dāng)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。現(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(guān)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(guān)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)。

“標(biāo)準(zhǔn)還在向前發(fā)展,特別是載波聚合技術(shù)引入以后。這些標(biāo)準(zhǔn)推廣開以后,要滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求就給技術(shù)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(gòu),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(guān)?！?

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(yīng)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(lǐng)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(shù)或許是一個很好的備選項,當(dāng)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(yīng)用。4G后面的5G技術(shù)將會使傳輸速率達(dá)到10Gbps,是目前4G速度的100倍,所以5G手機里面氮化鎵技術(shù)應(yīng)該能有一席之地。

預(yù)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(luò),還會使用非授權(quán)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(shù)進入手機的困難主要在于以下三點:

手機應(yīng)用需要氮化鎵器件工作在低電壓環(huán)境

必須設(shè)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(yīng)用技術(shù),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(gòu)?！艾F(xiàn)在氮化鎵并不是最適合手機射頻功放的技術(shù),”Qorvo的Jimenez說道,“一種可能是改變氮化鎵的結(jié)構(gòu)。氮化鎵采用的是場效應(yīng)管(FET)結(jié)構(gòu),而手機功放則是用異質(zhì)雙結(jié)型晶體管(HBT)結(jié)構(gòu),HBT結(jié)構(gòu)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(gòu),或者加入新的溝道材料和絕緣介質(zhì),以使其適應(yīng)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(lǐng)導(dǎo)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(yīng)用,不過射頻氮化鎵工藝已經(jīng)在改變整個格局。