手机要用上GaN，还有哪些难题需要解决？

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(GaN)器件的需求不断升温。

举个例子,现在的无线基站里面,已经开始用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(wide-bandgap)器件,与硅或者其他三五价器件相比,氮化镓速度更快,击穿电压也更高。

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5G)的手机,使用氮化镓是有可能的。

氮化镓技术非常适合4.5G或5G系统,因为频率越高,氮化镓的优势越明显。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。

不同工艺比较(数据来源于OKI半导体)

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(GaAs)和磷化铟(InP)等高频工艺相比,氮化镓器件输出的功率更大;与LDCMOS和碳化硅(SiC)等功率工艺相比,氮化镓的频率特性更好。” 分析机构Strategy Analytics的分析师Eric Higham说。

“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。”Higham说,“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(GaN)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是射频应用中常用的三五价半导体材料,LDMOS(横向扩散MOS技术)是基于硅的射频技术,碳化硅(SiC)可用于功率或射频领域。

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工艺制程技术,包括三五价化合物与硅材料。“(射频领域)还是有砷化镓与硅器件的市场空间。”GlobalFoundries射频市场总监Peter Rabbeni说道。

氮化镓技术可以追溯到1970年代,美国无线电公司(RCA)开发了一种氮化镓工艺来制造LED。现在市场上销售的很多LED就是使用蓝宝石衬底的氮化镓技术。

除了LED,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。“我们相信,氮化镓在600V功率器件市场将占有主要优势。”英飞凌氮化镓全球应用工程经理Eric Persson说道。

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600V的主流技术--功率MOSFET。“要最大限度发挥(GaN功率技术的)作用,必须采用新型拓扑。”Persson说道。

但射频氮化镓技术正在成为主流。根据Strategy Analytics的统计,2015年射频氮化镓市场规模达到3亿美元,该机构预测2020年射频氮化镓市场可达6.885亿美元。

2015年射频氮化镓应用市场分布图

(数据来源于YOLE)

现在能够提供射频氮化镓器件的厂商主要有科锐、英飞凌、Macom、恩智浦、Qorvo和住友等厂商。(英飞凌在2016年7月已经宣布收购科锐的Wolfspeed部门,Wolfspeed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、Northrop Grumman和雷神等在内的军工厂商也在开发氮化镓和其他三五价技术。

氮化镓可用于制造场效应管(FET)。平面氮化镓场效应管和硅基的MOSFET类似,通过栅极控制电流从源极流向漏极。

不过制造工艺上氮化镓和CMOS不同。氮化镓的衬底是在高温下利用金属有机气相沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)技术生长的。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。禁带宽度也决定了自由移动电子的质量。

氮化镓的禁带宽度是3.4 eV(电子伏特),另一种宽禁带材料碳化硅是3.3eV,对比一下,现在的射频工艺砷化镓(GaAs)的禁带宽度是1.4eV,而硅是1.1eV。

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。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。”NI AWR事业部技术市场总监David Vye说道。

氮化镓器件有什么缺点呢?缺点就是太贵了,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,但太贵了!

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设的设计。”Vye说道,“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、谐波负载牵引测试仿真技术等。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。”

然而,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,在美国国防部的资助下,研究人员开始投入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Strategy Analytics的统计,国防和航天应用占了射频氮化镓总市场规模的40%,雷达和电子战系统是射频氮化镓的最大应用市场。

今年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(AESA),主动电子扫描阵列将提供给爱国者系统360度的雷达能力。

“雷神相信,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。”雷神空中和导弹综合防御业务发展副总裁Tim Glaeser说道。

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60GHz毫米波Wi-Fi技术、汽车雷达系统和无线基站等。此外,5G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。

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2015年至2021年,全球移动数据流量每年增长率为45%。 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。现在的LTE移动通信标准(Release 10)最大可以将5个载波单元(每个载波单元20MHz带宽)组合起来,以实现100MHz带宽。

以后,移动运营商将会公布新标准LTE Advanced Pro,也被称为4.5G技术。LTE Advanced Pro最多可以组合32个载波单元,并会整合大规模多入多出技术(Massive MIMO)和非授权波段LTE技术。大规模多入多出技术已经在基站中被采用,可以利用多根天线来提升通信容量。

载波聚合和大规模多入多出技术促使基站去采用性能更好的功放。基站中以前采用的射频功放主要基于LDMOS技术,但Qorvo的人员表示,LDMOS技术的极限频率不超过3.5GHz,也不能满足视频应用所需的300MHz以上带宽。

因为上述晕啊因,基站开始采用射频氮化镓器件来替代LDMOS器件。“LDMOS器件物理上已经遇到极限,”Qorvo无线基础设施产品部总经理Sumit Tomar说道,“这就是氮化镓器件进入市场的原因。基站应用需要更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率,这些因素都促成了基站接受氮化镓器件。”

制造氮化镓器件有两种方式,一种是Qorvo和其他大多数厂商都采用的基于碳化硅的氮化镓射频工艺,一种是Macom主导的基于硅的氮化镓射频工艺。

两种工艺各有优劣。根据Qorvo的说法,相比基于硅的氮化镓,基于碳化硅的氮化镓工艺有更高的功率密度、更好的热传导性。

不过硅衬底比碳化硅衬底更便宜。Macom正在计划将生产工艺从6英寸升级到8英寸,从而进一步降低基于硅的氮化镓射频工艺 现在大多数基于碳化硅的氮化镓还是采用3英寸或4英寸晶圆生产,因此成本非常高,Qorvo计划今年年底采用6英寸晶圆来生产基于碳化硅的氮化镓。“升级以后Qorvo基于碳化硅的氮化镓器件的产能大约翻一倍,”Qorvo物理器件研究员 Jose Jimenez说道,“采用大尺寸晶圆生产氮化镓器件以后,无线基础设施和商用市场都可以用上更便宜的氮化镓器件。”

当然,最大的疑问还是智能手机能否用射频氮化镓工艺来做功放。现在的4G手机不会用到氮化镓器件,但未来的手机前端将有机会用到射频氮化镓工艺。

如今的手机射频前端模组包括功率放大器、射频开关及其他元器件(滤波器等)。用于放大输入信号的功率放大器通常采用砷化镓工艺。射频开关用于选择从功放到天线的信号路径,通常采用RF SOI工艺。

在2G和3G时代,手机射频前端都比较简单,2G有四个波段,3G有5个波段。但4G出现以后,射频前端变得非常复杂,全球4G波段超过40个,而全球销售的手机射频模组必须支持这些4G标准。

“标准还在向前发展,特别是载波聚合技术引入以后。这些标准推广开以后,要满足标准的要求就给技术上提出了更多的挑战。”GlobalFoundries的Rabbeni说道,“ 看一下(手机的)整体架构,在天线和射频SoC之间增加了越来越多的元器件,这将影响到射频性能,例如插入损耗和线性度。所以我们一直被客户督促着提供更好性能的射频工艺,特别是低噪声放大器、功率放大器和开关。”

一个例子是现在的智能手机开始采用多模多频功率放大器。一部智能手机可能只需要采用两颗(或许还要多些)功率放大器就能够支持全球4G制式。

虽然有不足,但智能手机厂商还是倾向于使用传统砷化镓工艺制造的功率放大器。“砷化镓成本低,性能也够用。”Strategy Analytics的Higham说道。

既然现在手机在射频方面已经遇到了困难,为什么不用射频氮化镓工艺制造的功率放大器呢?“氮化镓器件天生适用于高压(大于10V)应用,虽然氮化镓的高功率密度有可能减小功放的芯片面积。”台湾Wavetek销售市场高级经理Domingo Huang说道,台湾Wavetek是联电旗下的一个专门从事砷化镓代工的子公司。

“但现在手机使用的电压范围是3至5V,在这种电压下,氮化镓的性能要打很大折扣,”Huang说道,“氮化镓的高成本是阻止其进入消费电子领域的另一个障碍。如果将来智能手机的前端可以采用更高的电压供电,那么氮化镓技术或许是一个很好的备选项,当然,首先要解决的是成本太高的问题。”

如上所述,氮化镓功放适合3GHz以上的应用。4G后面的5G技术将会使传输速率达到10Gbps,是目前4G速度的100倍,所以5G手机里面氮化镓技术应该能有一席之地。

预计2020年5G开始大规模商用部署,到时候5G不但兼容4G网络,还会使用非授权或毫米波波段。毫米波指频率为30GHz到300GHz的电磁波(译者注:波长为10毫米到1毫米,不过现在美日韩等国试验的28GHz频段也被归为毫米波)。

“4G手机里面的射频器件主要是砷化镓和SOI,”Qorvo的Tomar说道,“5G时代,砷化镓和SOI器件还会需要,同时也会采用氮化镓器件,尤其是在高频段。”

不过,射频氮化镓要进入5G手机还需要克服现有的一些难点。根据Qorvo的博客,氮化镓技术进入手机的困难主要在于以下三点:

手机应用需要氮化镓器件工作在低电压环境

必须设计新封装形式以满足散热要求

成本太高

同时,砷化镓与其他三五价工艺也在开发高频应用技术,如果成功的话,有可能会让氮化镓维持在小众市场。

为了推进氮化镓工艺,业界或许要重新考虑氮化镓工艺的整体架构。“现在氮化镓并不是最适合手机射频功放的技术,”Qorvo的Jimenez说道,“一种可能是改变氮化镓的结构。氮化镓采用的是场效应管(FET)结构,而手机功放则是用异质双结型晶体管(HBT)结构,HBT结构的效率和线性度更好。”

射频氮化镓器件可以考虑垂直结构,或者加入新的沟道材料和绝缘介质,以使其适应低电压的工作环境。

另外,氮化镓工艺必须缩小工艺尺寸。现在氮化镓工艺尺寸正在从0.25微米至0.5微米向0.15微米转换,一些领导厂商甚至在尝试60纳米。

只有时间才能检验射频氮化镓工艺能否适合手机应用,不过射频氮化镓工艺已经在改变整个格局。