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        氮化鎵(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素

        發布時間:2019-09-27 責任編輯:lina

        【導讀】5G的到來將會給半導體材料帶來革命性的變化,無論是硅襯底還是碳化硅襯底,氮化鎵(GaN)都將獲得快速發展。從2G到5G,通信頻率在不斷地向高頻發展,因此基站及通信設備對射頻器件高頻性能的要求也在不斷提高。在此背景下,氮化鎵(GaN)必將以其獨特的高頻特性、超高的功率密度,以及優越的集成度成為5G技術的核心器件。
         
        5G的到來將會給半導體材料帶來革命性的變化,無論是硅襯底還是碳化硅襯底,氮化鎵(GaN)都將獲得快速發展。從2G到5G,通信頻率在不斷地向高頻發展,因此基站及通信設備對射頻器件高頻性能的要求也在不斷提高。在此背景下,氮化鎵(GaN)必將以其獨特的高頻特性、超高的功率密度,以及優越的集成度成為5G技術的核心器件。
         
        第三代半導體材料氮化鎵(GaN)
        氮化鎵(GaN, Gallium Nitride)是一種直接帶隙半導體材料,硬度很高。氮化鎵的帶隙為3.4 eV,而現今最常用的半導體材料硅的帶隙為1.12 eV,因此氮化鎵在高功率和高速器件中具有比硅器件更好的性能。
        另外,氮化鎵對電磁輻射的敏感性較低,氮化鎵器件在輻射環境中顯示出很高的穩定性。相比砷化鎵(GaAs)晶體管,氮化鎵晶體管可以在高得多的溫度和電壓下工作,因此是理想的微波頻率功率放大器件。
         
        作為第三代半導體材料,氮化鎵(GaN)的研究和應用已經有20多年的歷史,但直到最近幾年才開始凸顯出其商業化的發展前景,5G無疑是背后的主要驅動力之一。5G通信的射頻前端有著高頻和高效率的嚴格要求,這正是氮化鎵(GaN)的用武之地。另外,汽車電動化和便攜式電子產品快速而高效的充電需求也將驅動氮化鎵(GaN)功率器件走向大眾市場,逐漸替代傳統的硅功率器件。
         
        5G為GaN打開應用的“閘門”
        5G的到來將會給半導體材料帶來革命性的變化,無論是硅襯底還是碳化硅襯底,氮化鎵(GaN)都將獲得快速發展。從2G到5G,通信頻率在不斷地向高頻發展,因此基站及通信設備對射頻器件高頻性能的要求也在不斷提高。在此背景下,氮化鎵(GaN)必將以其獨特的高頻特性、超高的功率密度,以及優越的集成度成為5G技術的核心器件。
         
        據市場調研公司Yole Development預測,全球GaN RF器件的市場規模到2024年將超過20億美元,其中無線通信和軍事應用占據絕大部分。
         
        氮化鎵(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
        圖一:GaN RF器件的市場規模預測(來源:Yole Development)
         
        氮化鎵(GaN)向來以較高的功率處理能力而著稱,是基站、雷達和航空電子等無線通信設備的首選放大器材料,在4G通信系統中也已經使用多年。在5G移動通信系統中,基站和手機終端的數據傳輸速率比4G更快,調制技術的頻譜利用率更高,這對RF前端器件和模塊提出了更高的要求。
         
        GaN對比硅基LDMOS和GaAs
        在射頻前端應用中,硅基LDMOS器件和砷化鎵(GaAs)仍是主流器件,氮化鎵(GaN)相對于它們有什么優點和缺點呢?成都氮矽科技創始人兼CTO羅鵬博士認為,氮化鎵(GaN)的高頻特性要優于砷化鎵(GaAs)和LDMOS。LDMOS只能用于3.5GHz以下的應用,砷化鎵雖然可以做到40GHz,但所能提供的功率非常有限,需要多級放大疊加才能達到功率指標,所以器件尺寸通常比較大。而氮化鎵在高頻下依然可以保證高功率,從而可大大減少晶體管的數量和器件的尺寸。
         
        氮化鎵(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
         
        此外,氮化鎵(GaN)的帶隙電壓比硅基LDMOS器件和砷化鎵(GaAs)都高,GaN可以工作于28V或更高的電壓,而GaAs工作電壓為10V,LDMOS約為6V。AMCOM通信公司CTO Ho. Huang認為,氮化鎵具有更高的輸出功率性能,特別適合長距離通信的大功率應用。(此處插入頭像及人物簡介:AMCOM通信公司CTO Ho. Huang,美國IEEE 會員)
         
        意法半導體(ST)新材料和電源方案事業部的創新和關鍵項目戰略營銷總監Filippo Di Giovanni表示,在現今的射頻前端電路中,GaAs仍然是高頻小信號器件的選擇基準,因為這種應用需要低噪聲系數。在這些應用中,GaAs取代了LDMOS器件,基于GaAs的MMIC芯片集成開關和放大器已經廣泛用于智能手機和平板電腦等電池供電的便攜式設備。對于給定的輸出功率,雖然GaAs放大器的線性和失真度通常優于GaN放大器,但可以通過數字預失真技術幫助GaN在高頻下實現線性化。他預測,隨著GaN技術向更小的工藝節點演進,在達到0.15um柵長時,GaN將挑戰GaAs器件在便攜式無線應用中的主導地位。
         
        氮化鎵(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素

        氮化鎵(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
         
        圖二:氮化鎵(GaN)在通信基站中的應用趨勢(來源:Yole Development)
         
        相對于砷化鎵和硅基LDMOS,氮化鎵的成本依然過高,特別是在RF應用中多以碳化硅(SiC)為襯底的情況下。砷化鎵和硅基LDMOS現有的晶圓工藝可以做到8英寸,甚至10和12英寸,但是GaN-on-SiC的主流芯片依然是6英寸的。雖然早在2015年業界已經成功將GaN生長在8英寸的SiC上,但是良品率不高使得成本居高不下,依然不如6英寸的。
        氮化鎵(GaN)的成本劣勢阻礙了它的快速發展,但其發展前景仍然樂觀。現在業界一些公司,包括國外的Macom和國內的英諾賽科,正在將低成本的GaN-on-Si應用在RF器件上,隨著制造工藝的提升和成本的下降,相信氮化鎵必將取代砷化鎵和LDMOS,現階段5G行業仍然需要傳統硅基半導體和新興第三代半導體的相互補充和共存發展。
         
        包絡跟蹤技術需要GaN支持
        在一個典型的基站中,50%的電能是功率放大器(PA)消耗掉的,同時還需要體積較大的散熱系統來處理額外的熱量。雖然提高能效和減少散熱量一直是無線通信行業的要求,但對于2G/3G/4G網絡并非是當務之急。對于5G網絡就完全不同了,運營商希望頻譜利用率更高,5G基站部署的密度也比以前更大,因此要求射頻信號的峰值平均功率比(PAPR)更高。然而,隨著PAPR的增大,PA的效率就會降低。
         
        在以前的2G系統中,調制方案僅針對工作頻率和相位,但沒有在幅度里載入任何信息,換句話說,包絡是恒定的。3G、4G和5G技術則采用不同的調制方法,包絡不再是恒定的。實際上,電源電壓和RF輸出信號之間的差異非常大,致使恒壓供電的線性功放(LPA)無法實現高能效。為應對這一挑戰,包絡跟蹤(ET)技術就被引入進來了。
        據宜普公司(EPC)創始人兼CEO Alex Lidow介紹,使PA獨立于PAPR而保持效率的一種方法是,僅在PA需要時才為其供電,即在峰值時提供高電壓,而在谷值時供應低電壓。利用eGaN FET來實現包絡跟蹤以便保持通信系統的PA效率已經超過5年了。
         
        氮化鎵(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
         

        氮化鎵(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
        圖三:包絡跟蹤技術提高能效的示意圖(來源:EPC)
         
        包絡跟蹤技術通過調制線性功放(LPA)的電源電壓,跟蹤射頻信號的包絡,從而提高漏極能效(DE)。這將考驗包絡跟蹤的電源性能,因為PAPR比值和包絡信號帶寬變大了。為了提高能效,需要用開關式轉換器代替線性轉換器。這些轉換器的開關頻率非常高,因為所跟蹤的無失真包絡信號的帶寬非常寬。例如,對于20 MHz(4G網絡)的帶寬,轉換器的開關頻率就要達到200 MHz。5G的包絡帶寬高達100MHz,轉換器的開關頻率要求更高。
         
        當開關頻率非常高時,傳統硅基功率開關的性能受到高損耗和低能效的拖累,就顯得力不從心了。而GaN器件具有較低的寄生電容和更好的熱性能,因此更適合這些高頻應用。ST的Giovanni認為,受到5G青睞的包絡跟蹤技術將為GaN開啟快速發展之門。
         
        氮化鎵在電源管理上的性能優勢
        氮化鎵是一種寬禁帶(WBG)半導體材料,與傳統的硅半導體材料相比,它能夠讓功率器件在更高的電壓、頻率和溫度下運行。在電源管理應用上,氮化鎵的優勢包括:
        1. 傳導損耗小,能效高。氮化鎵晶體管的導通電阻(Rds,on)是傳統硅器件的一半,在相同輸出電流下損耗更小,能效更高。低損耗同時意味著低發熱,從而可以有效地簡化散熱器件和熱管理系統設計。
        2. 氮化鎵晶體管內不含體二極管,沒有反向恢復損耗。
        3. 氮化鎵晶體管的輸入電荷非常小,幾乎沒有柵極驅動損耗。
        4. 氮化鎵功率器件可以支持更高的開關頻率(GaN:1MHz,Si:<100KHz),從而減小無源器件的體積。
        5. 氮化鎵器件的功率密度很大,能夠達到硅基LDMOS的四倍以上,在減小體積的同時可以增大輸出功率。
         
        英飛凌電源管理及多元化市場事業部大中華區高級市場經理陳清源對同為第三代半導體材料的氮化鎵(GaN)和碳化硅的優缺點進行了對比,二者都具有快速開關性能,有助于提高效率,但是氮化鎵比硅的損耗低。在應用場景下進一步對比可以發現,在高功率和更高壓應用場景下,碳化硅體現出很好的成熟度和性價比;而在100V至600V的低中壓應用中,氮化鎵就能夠發揮出更高的性價比。就結構來看,GaN是橫向結構(比如JFET),很難達到SiC MOSFET(垂直結構)的高電壓能力。
         
        氮化鎵(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
         
        GaN對于本征是常關的開關更具吸引力,它代表著迄今所用的全部硅晶體管的后續技術。此外,從整體系統的角度考慮,氮化鎵的優勢在于能夠使拓撲結構變得更加緊湊。英飛凌研發的CoolGaN系列產品是一種GaN增強模式高電子遷移率晶體管(E-HEMT),非常適合高壓下運行更高頻率的開關,可以做到設計輕薄、功率密度進一步提高,從而使轉換效率有更大的提升,降低整個系統的成本。
         
        安森美半導體戰略營銷總監Yong Ang進一步解釋說,GaN器件相比硅器件的寄生電容低,因而可以降低門極電荷Qg相關的開關損耗,使開關頻率提高到幾百kHz至MHz范圍,而不降低能效。與硅功率器件不同,GaN因為沒有體二極管,在鋁鎵氮(AlGaN)/GaN邊界表面的二維電子氣(2DEG)可以反向傳導電流,但沒有反向恢復電荷QRR,非常適合硬開關應用。由于GaN對過電壓的敏感性和相對于硅非常有限的雪崩能力,特別適合半橋拓撲,其中漏源電壓鉗位到軌道電壓。GaN在諧振LLC、有源鉗位反激以及硬開關圖騰柱PFC等零電壓開關(ZVS)拓撲結構中具有很大的吸引力。
         
        氮化鎵(GaN)功率器件的市場驅動力
        根據IHS市場調研報告預測,GaN功率器件的市場增長快速,每年CAGR超過30% ,預計到2027市場規模將超過10 億美元。除5G通信市場外,汽車和工業市場也是氮化鎵(GaN)功率器件的主要驅動力。即便在價格敏感的消費電子市場,氮化鎵(GaN)也帶來了一股清新力量。比如低功率的快充充電頭,已經有多家廠商成功地將實驗室中的氮化鎵產品投放到市場,其中包括Anker的30W GaN充電器,因為采用了來自Power Integration的GaN芯片PI SC1933C,其體積比蘋果官方20W充電器縮小了40%。
         
        氮化鎵(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
        圖四:采用GaN器件的充電器體積比傳統硅器件充電器縮小40%(來源:Anker)
         
        而最近面市的Anker PowerCore Fusion PD超級充則采用了納微半導體(Navitas)的NV6115和NV6117 GaNFast功率芯片。據納微半導體公司FAE和技術市場總監黃萬年介紹,GaN器件相對硅器件可以將開關頻率提高10倍,大大縮小被動元件的體積,特別是磁性元件,從而使得充電器的體積成倍的縮小。對于同樣大小的手機充電器, 相對傳統硅方案,基于氮化鎵的方案可以做到快5倍以上的充電速度。對于大功率無線充電的應用,氮化鎵的高頻特性也可以進一步提升系統效率。
         
        氮化鎵(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
         
        氮化鎵(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
         
        現在大部分智能手機的無線充電都是采用無線充電聯盟(WPC)的Qi無線充電標準,但其充電速度慢,而且要求發射端和接收端要精確對齊,因此用戶體驗不是很好。磁共振是一種可以解決這些問題的解決方案,基于這一原理的Airfuel標準可以更快的速度為手機、平板、可穿戴設備及筆記本電腦等電子設備充電。這種無線充電標準采用6.78 MHz頻率,這對硅基MOSFET器件是個挑戰。宜普公司(EPC)的Alex Lidow認為eGaN FET器件和芯片可以更好地應對這一挑戰,讓系統效率達到有線充電方案的水平。硅基MOSFET器件的實際充電效率只有60-70%,而eGaN器件可以達到80-9%。
         
        氮化鎵(GaN)在設計和制造工藝上的技術挑戰
        GaN器件無疑受益于現有類似CMOS的晶圓制造工藝,而且在不久的將來會遷移到8英寸晶圓生產線。但是,在GaN上做外延層比在硅MOSFET上更復雜,并且外延層對器件的動靜態電性能的影響更明顯。不同的廠商使用不同的功率GaN器件,每種方案都有不同的柵極驅動器、電流崩塌效應和封裝。
         
        在制造方面,因為氮化鎵和襯底材料Si的晶格匹配度差,生長時會出現崩塌而導致良品率低。在設計方面,氮化鎵晶體管(增強型氮化鎵)的柵極需要驅動才能做到正常的開關,而氮化鎵的柵極電壓閾值和最大電壓都很小,所以非常容易誤開啟,在設計上有非常大的難度。
         
        英飛凌的陳清源認為,GaN器件所面臨的主要挑戰是可靠性、成本以及驅動等問題。氮化鎵是常開型器件,難以被客戶所應用和接受,因為用戶已經習慣于硅器件的常閉型設計理念。為了解決這一設計問題,英飛凌在技術細節和工藝上做了一些改進,在柵極加了P-,做出了市場比較容易接受的常閉型器件。另一方面,氮化鎵的動態導通電阻Rds(on)是業界所面臨的棘手問題,原因是很多電子在開關的時候被漏級的電子陷在里面不流通。英飛凌通過引入P-把表面的電子中和掉,從根本上解決了這個技術難題。
        另外,氮化鎵功率器件的驅動也要考慮一些特殊性。首先,氮化鎵一定要有一個穩態的導通電流來保持它的開通,然后需要負脈沖來關斷,這就對電源驅動設計造成了極大的挑戰。并非所有的設計公司都有很好的研發能力來驅動氮化鎵器件,如果驅動不好,它的優勢就不能最大化。
         
        國內廠商在氮化鎵(GaN)市場的機會
        目前,氮化鎵增長最快的要數快充市場。隨著手機電池容量的不斷增加,大功率的快充變得越來越重要,而傳統硅材料受限于體積以及功率密度的極限無法滿足市場需要,氮化鎵通過自身的優勢迅速吸引了市場。但是,目前中國氮化鎵功率應用市場還處于起步階段,市場對于氮化鎵的認識還不夠,并且氮化鎵自身的成本還太高。但隨著硅基氮化鎵成本的降低以及可靠性的大幅提高,采用氮化鎵材料的快充充電器必將成為行業的主流。
         
        同時,氮化鎵在大功率市場的需求也非常巨大,尤其在5G基站供電模塊,以及新能源汽車車載充電(OBC)領域,國內和國際廠商都將目光瞄準了這些市場。隨著汽車的電動化,GaN在汽車領域的應用前景特別值得期待。中國是世界上最大的電動汽車市場之一,這也將促進GaN器件在中國市場的應用發展。
         
        羅鵬博士認為,目前國內氮化鎵供應商并不多,有很多公司是將建立氮化鎵工藝線作為宣傳噓頭,真正能夠量產氮化鎵功率或者射頻芯片的公司如鳳毛麟角。原因在于氮化鎵生產線技術門檻和生產成本過高,而且氮化鎵市場目前并不成熟,應用設計公司依然偏少。同時也應該看到,國內依然有像珠海英諾賽科和廈門三安集成這樣的氮化鎵供應商,勇于創新,在努力降低氮化鎵的制造成本,同時不斷提高氮化鎵的性能。
         
        結語
        從市場應用來看,在未來相當長一段時期內,硅器件仍是市場的主流,而在一些硅材料所不能達到的高性能產品中,碳化硅和氮化鎵可以作為很好的技術補充。所以硅、碳化硅和氮化鎵的市場會同時、同步發展,不可或缺。雖然氮化鎵在設計和制造工藝上還面臨諸多挑戰,但5G和汽車市場的需求將驅動著氮化鎵器件的成本降低,逐漸為市場接受而進入大眾化市場。
         
         
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