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硅衬底GaN晶体管突破广泛应用的障碍

2017/3/1 12:57:11      材料来源:CSC化合物半导体

硅衬底GaN晶体管突破广泛应用的障碍

硅上GaN生长技术的性价比已经得到提升,因而使其应用已从国防领域扩展到了主流商业市场。

Tom Kole, MACOM

 

功率放大器的设计者在设计大功率宽带放大器时会面临一些挑战:低的负载阻抗以及会影响器件性能的寄生效应等难题。

第一项挑战是源于器件的输入负载阻抗本身就比较低,并且会随着功率的增加而持续下降。为了应对这个问题,设计者设计了一种匹配电路可以对接晶体管的50Ω输入阻抗。但是设计带宽、效率和复杂性问题都会受到这晶体管50Ω阻抗系数的制约。对于这项挑战的一个解决方案是使用本身具有高阻抗的小尺寸器件,例如在高工作电压下工作的晶体管。举个例子,在100W的功率下,将电压从12V增加到48V将会显著地增加负载电阻,也即可以从1Ω增加到12Ω。这二者是一个平方关系,因此工作电压增加4倍将会使负载阻抗增加16倍。这种更高的阻抗不仅允许更加简单的匹配网络,并且也提供了更宽带宽的设计潜力。

第二项挑战是寄生效应,这在设计宽带功率放大器时是个特别棘手的问题。在低频率下,FET等效电路是电阻性元件占主导作用;然而在高频率下,在栅和源之间的输入静态电容以及源和漏之间的输出静态电容将会起到主导作用,在它们的共同作用下会使阻抗下降,并增加了品质因数Q。换句话说,阻抗将具有更大的易变性,并且在史密斯图(Smithchart)中旋转,即它会随着频率的变化而变化。

有了一种很有吸引力的技术可以同时解决这两项挑战,那就是转用GaN晶体管来制造功率放大器。与目前使用的高频GaAs技术和低频硅LDMOS技术相比,GaN本身就支持在更高电压下工作,同时在更高频率下也允许有更大的功率。除此之外,GaN的高功率密度可以使它比传统的竞争器件有着更小的体积外形,这也导致它具有更小的本征高频效应和和更低的输入/输出电容,使得GaN器件具有更低的Q值。先前宽带放大器的设计无法获得在很高功率水平下覆盖很宽频率范围的工作性能,而GaN使其变得可以实现。

GaN功率放大器的优势不仅仅局限于具有更宽的带宽,还包括它有着超过百分之七十的效率,具有突破性的高功率密度,以及在高温环境下比其他半导体器件有着更高的可靠性,这同时也有助于制成尺寸更小的器件。这些优势集中在一起,再加上GaN与GaAs有着相近的电子迁移率,使得它能在很高频率下进行大功率运行,并且其寄生效应要远小于竞争器件。

由于这些在性能上的优势,GaN自然而然地在很多不同市场中都被认为是其主流应用的最佳选择。使得采用这种宽带隙半导体材料制造的功率放大器有望在商用和消费类射频(RF)功率市场得到广泛的应用。

 

扩展应用范围

在国防通讯和电子战应用中,主要看重的是器件的性能,使得GaN已经迅速地替代了LDMOS。这就解释了为什么在这个领域过去的十年中,在要求高效率和高带宽半导体器件的场合中, 是GaN引领了器件的潮流。这里,一个需求是使用单个GaN宽带器件来替代多个窄带宽的LDMOS通道,并且能提供相近或者更好的增益、功率和效率。借助于GaN器件的这些优秀特性,设计者可以构建出更小、更有效率的系统。在手持对讲机当中,对电池更低的要求减轻了机身的重量,这对于单兵作战装备而言是非常重要的。

然而GaN将要征服的下一个市场就是家庭中的应用,商用电信系统需要高度线性的功率放大器及其效率,但由于一系列的现实因素,使得这种需求已经成为了关键性的问题。通信基础设施使用了复杂的OFDM架构来将尽可能多的数据塞进给定的带宽中,并且必须在信道中保持其能量以防止干扰。在过去的二十年以来,功率放大器设计者使用了多种线性增强技术,从带有简单补偿(backoff)的单载波到GSM网络中的前馈多载波。如今,最优化的解决方案是将Doherty合并技术与数字预失真(DPD)技术结合起来。Doherty技术能提供高功率效率和高的峰值对平均值比(PAR)的波形,而DPD能减少矢量错误和邻近信道间的干扰。

所以,GaN在这个现有系统结构中表现如何,其答案要从GaN和LDMOS在一个关键基础性能的差别上说起。LDMOS具有一个所谓的硬压缩特性,亦即它在接近P1 dB时具有极好的线性度,但这是一个极限值,压缩水平稍有超越,其线性度就会有急剧地下降。换句话说,PSAT是一个硬性限制,它会突然发生,使得在线性和非线性之间的转化区几乎只是一个点。而GaN器件具有一个“软的”压缩点,使得P1 dB区和PSAT区之间可能会存在几个dB的隔开区域。并且,如果你继续增大功率驱动,器件随之会输出更多的功率。

这对于数字预失真(DPD)线性化功率放大器是一个理想的选择,因为Pin 对 Pout关系是相对连续的,在接近压缩区的线性度要比LDMOS更好,并且对于温度、电压或者负载等可能会改变P1dB的因素变化不敏感。GaN的压缩点是连续的、圆形的,并且从数学的角度来看地,它在工作区域的上部表现得更好,在这个区域中功率和效率都是最高的。从实际应用的角度来看,这就意味着如果放大器匹配恰当,其瞬时功率可以大幅度地超过规定的连续波(CW)的功率容量,这对于再现具有高的峰值对平均值比(PAR)波形是十分有利的。

当进行数字校正后,GaN在系统层面上树立了新的技术标杆。与LDMOS相比,在其他条件相同的情况下,采用GaN的系统效率会提高5到7个百分点。在初始效率的比较上GaN具有着明显的优势: 在2.5GHz和100W功率等级、甲乙类放大模式的GaN器件具有超过70%的效率,相比之下,如今最好的LDMOS器件只能勉强达到60%。在商业应用中如果能对GaN器件加以正确地使用,它在这种效率上的优越性能在系统层面上带来显著的性能改进。

在马萨诸塞州Lowell的MACOM公司,我们正在用我们的硅上GaN技术来促进其商业应用。现在它已经发展到第四代,可以为GaN的商业应用及其市场提供具有优异的性能、效率和带宽的器件,并且其成本结构已经可以与LDMOS相差无几。要加速GaN在商业应用中的普及进程,就需要进一步降低其成本,我们正在使用更大尺寸的晶圆来扩大我们的GaN器件生产。

 

微波炉……

另一个GaN应用的重大机会是将它作为微波炉的辐射源。现在已经出现了用来替代磁控管的LDMOS原型器件,但是低效率成为了它的短板。如果使用GaN器件,则情况就大不相同了。目前LDMOS组件在效率上要低于实际需求值约10%,而利用GaN材料制造的器件,就可填补上这一差距。

我们的GaN器件技术是替代磁控管的理想选择,因为它同时具有GaN的高效率——在2.45GHz时效率为70%,并具有与硅基器件可相比拟的成本。相对于可以溯到二十世纪40年代的磁控管技术,GaN器件是一种极具吸引力的选择,因为可以具有恒定的输出功率、区域可控的加热,还能使微波炉的使用寿命增加10倍。

 

……以及照明

等离子体照明则为GaN提供了另一个应用机遇。这种照明形式包括有一个RF功率激发源,其目前大多是由LDMOS提供。它通常使用了相对较低的频率,比如几百兆赫兹。尽管等离子体照明在进入主流照明市场的进程中还相当缓慢,但是它在农作物生长的照明领域找到了最佳突破口,由于它在色温上非常接近太阳光,它是这个领域的一种理想的光源。

目前等离子体照明技术正在向着将频率提升到 6 GHz和效率超过70%的方向发展,这些要求对于LDMOS而言是不可能达到的,而对于GaN来说则能轻松胜任。它所具有更高的功率密度性能能使晶体管的尺寸得以进一步的缩减,这使得这种器件对于供应商而言十分具有吸引力,将会推动等离子体照明在室内照明市场中的应用,来作为LED的替代者。

GaN同样可以助力无线功率传输技术,它已经实现在低功率、用于手持设备上的消费级无线功率传输上的应用,然而在大功率的无线功率发射和接收上它还处于原型器件的开发阶段。随着需要传输功率将会以千瓦计,对效率的高要求严格地限制了传输单元的尺寸——传输的功率越高,其天线的物理尺寸就越小——GaN 显然是RF功率传输应用的上佳选择。由这种宽带隙半导体材料所制造的器件,其天线尺寸在针对频率进行优化后,2.45GHz频率下的效率要比LDMOS高出10%。

随着在等离子体照明、微波炉、医疗等领域中的发展机遇,GaN无疑会在很多的主流市场获得应用。它的高效率展现出令人兴奋的发展前景,它还能进一步削减器件的总成本,使得它能够进入商业市场中对价格敏感的大规模应用领域。

我们坚信GaN 器件拥有极其巨大的发展潜力,我们已经准备好对其整个产业链的支持,以推动这种类型器件的普及。通过投资、借贷和生产协议,我们已经准备扩大GaN器件的生产能力,使它能以较低的成本进入到广泛的商业应用中,以造福我们的客户。

 

 

图1. 固态RF功率器件可提供很多其他器件所没有的优势,能为例如医疗消融切除等应用提供强有力的支持。

 

 

图2. GaN器件可以实现恒定的功率输出和区域可控的加热,使微波炉的工作寿命能增加10倍。

 

 

图3. 正在开发中的等离子体照明要求能将其工作频率提高到 6 GHz、效率超过70%。

 

 


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