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氮化镓(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,無論是矽襯底還是碳化矽襯底,氮化镓(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,氮化镓(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爲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,無論是矽襯底還是碳化矽襯底,氮化镓(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,氮化镓(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爲5G技術的核心器件。
 
第三代半導體材料氮化镓(GaN)
氮化镓(GaN, Gallium Nitride)是一种直接带隙半导体材料,硬度很高。氮化镓的带隙为3.4 eV,而现今最常用的半导体材料硅的带隙为1.12 eV,因此氮化镓在高功率和高速器件中具有比硅器件更好的性能。
另外,氮化镓對電磁輻射的敏感性較低,氮化镓器件在輻射環境中顯示出很高的穩定性。相比砷化镓(GaAs)晶體管,氮化镓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。
 
作为第三代半导体材料,氮化镓(GaN)的研究和应用已经有20多年的历史,但直到最近几年才开始凸显出其商业化的发展前景,5G无疑是背后的主要驱动力之一。5G通信的射频前端有着高频和高效率的严格要求,这正是氮化镓(GaN)的用武之地。另外,汽车电动化和便携式电子产品快速而高效的充电需求也将驱动氮化镓(GaN)功率器件走向大众市場,逐渐替代传统的硅功率器件。
 
5G爲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,無論是矽襯底還是碳化矽襯底,氮化镓(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,氮化镓(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爲5G技術的核心器件。
 
据市場调研公司Yole Development预测,全球GaN RF器件的市場规模到2024年将超过20亿美元,其中无线通信和军事应用占据绝大部分。
 
氮化镓(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
图一:GaN RF器件的市場规模预测(来源:Yole Development)
 
氮化镓(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對比矽基LDMOS和GaAs
在射頻前端應用中,矽基LDMOS器件和砷化镓(GaAs)仍是主流器件,氮化镓(GaN)相對于它們有什麽優點和缺點呢?成都氮矽科技創始人兼CTO羅鵬博士認爲,氮化镓(GaN)的高頻特性要優于砷化镓(GaAs)和LDMOS。LDMOS只能用于3.5GHz以下的應用,砷化镓雖然可以做到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。而氮化镓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。
 
氮化镓(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
 
此外,氮化镓(GaN)的带隙电压比硅基LDMOS器件和砷化镓(GaAs)都高,GaN可以工作于28V或更高的电压,而GaAs工作电压为10V,LDMOS约为6V。AMCOM通信公司CTO Ho. Huang认为,氮化镓具有更高的输出功率性能,特别适合长距离通信的大功率应用。(此处插入头像及人物简介:AMCOM通信公司CTO Ho. Huang,美国IEEE 会员)
 
意法半导体(ST)新材料和电源方案事业部的创新和关键项目战略营销总监Filippo Di Giovanni表示,在现今的射频前端电路中,GaAs仍然是高频小信号器件的选择基准,因为这种应用需要低噪声系数。在这些应用中,GaAs取代了LDMOS器件,基于GaAs的MMIC芯片集成开关和放大器已经广泛用于智能手机和平板电脑等电池供电的便携式设备。对于给定的输出功率,虽然GaAs放大器的线性和失真度通常优于GaN放大器,但可以通过数字预失真技术帮助GaN在高频下实现线性化。他预测,随着GaN技术向更小的工艺节点演进,在达到0.15um栅长时,GaN将挑战GaAs器件在便携式无线应用中的主导地位。
 
氮化镓(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素

氮化镓(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
 
图二:氮化镓(GaN)在通信基站中的应用趋势(来源:Yole Development)
 
相對于砷化镓和矽基LDMOS,氮化镓的成本依然過高,特別是在RF應用中多以碳化矽(SiC)爲襯底的情況下。砷化镓和矽基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。
氮化镓(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,相信氮化镓必將取代砷化镓和LDMOS,現階段5G行業仍然需要傳統矽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網絡並非是當務之急。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,但沒有在幅度裏載入任何信息,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。爲應對這一挑戰,包絡跟蹤(ET)技術就被引入進來了。
据宜普公司(EPC)创始人兼CEO Alex Lidow介绍,使PA独立于PAPR而保持效率的一种方法是,仅在PA需要时才为其供电,即在峰值时提供高电压,而在谷值时供应低电压。利用eGaN FET来实现包络跟踪以便保持通信系统的PA效率已经超过5年了。
 
氮化镓(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
 

氮化镓(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)
 
包络跟踪技术通过调制线性功放(LPA)的电源电压,跟踪射频信号的包络,从而提高漏极能效(DE)。这将考验包络跟踪的电源性能,因为PAPR比值和包络信号带宽变大了。为了提高能效,需要用开关式转换器代替线性转换器。这些转换器的开关频率非常高,因为所跟踪的无失真包络信号的带宽非常宽。例如,对于20 MHz(4G网络)的带宽,转换器的开关频率就要达到200 MHz。5G的包络带宽高达100MHz,转换器的开关频率要求更高。
 
當開關頻率非常高時,傳統矽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認爲,受到5G青睐的包絡跟蹤技術將爲GaN開啓快速發展之門。
 
氮化镓在電源管理上的性能优势
氮化镓是一种宽禁带(WBG)半导体材料,与传统的硅半导体材料相比,它能够让功率器件在更高的电压、频率和温度下运行。在電源管理应用上,氮化镓的优势包括:
1. 传导损耗小,能效高。氮化镓晶体管的导通电阻(Rds,on)是传统硅器件的一半,在相同输出电流下损耗更小,能效更高。低损耗同时意味着低发热,从而可以有效地简化散热器件和热管理系统设计。
2. 氮化镓晶体管内不含体二极管,没有反向恢复损耗。
3. 氮化镓晶体管的输入电荷非常小,几乎没有栅极驱动损耗。
4. 氮化镓功率器件可以支持更高的开关频率(GaN:1MHz,Si:<100KHz),从而减小无源器件的体积。
5. 氮化镓器件的功率密度很大,能够达到硅基LDMOS的四倍以上,在减小体积的同时可以增大输出功率。
 
英飞凌電源管理及多元化市場事业部大中华区高级市場经理陈清源对同为第三代半导体材料的氮化镓(GaN)和碳化硅的优缺点进行了对比,二者都具有快速开关性能,有助于提高效率,但是氮化镓比硅的损耗低。在应用场景下进一步对比可以发现,在高功率和更高压应用场景下,碳化硅体现出很好的成熟度和性价比;而在100V至600V的低中压应用中,氮化镓就能够发挥出更高的性价比。就结构来看,GaN是横向结构(比如JFET),很难达到SiC MOSFET(垂直结构)的高电压能力。
 
氮化镓(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矽晶體管的後續技術。此外,從整體系統的角度考慮,氮化镓的優勢在于能夠使拓撲結構變得更加緊湊。英飛淩研發的CoolGaN系列産品是一種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。
 
安森美半导体战略营销总监Yong Ang进一步解释说,GaN器件相比硅器件的寄生电容低,因而可以降低门极电荷Qg相关的开关损耗,使开关频率提高到几百kHz至MHz范围,而不降低能效。与硅功率器件不同,GaN因为没有体二极管,在铝镓氮(AlGaN)/GaN边界表面的二维电子气(2DEG)可以反向传导电流,但没有反向恢复电荷QRR,非常适合硬开关应用。由于GaN对过电压的敏感性和相对于硅非常有限的雪崩能力,特别适合半桥拓扑,其中漏源电压钳位到轨道电压。GaN在谐振LLC、有源钳位反激以及硬开关图腾柱PFC等零电压开关(ZVS)拓扑结构中具有很大的吸引力。
 
氮化镓(GaN)功率器件的市場驱动力
根据IHS市場调研报告预测,GaN功率器件的市場增长快速,每年CAGR超过30% ,预计到2027市場规模将超过10 亿美元。除5G通信市場外,汽车和工业市場也是氮化镓(GaN)功率器件的主要驱动力。即便在价格敏感的消费电子市場,氮化镓(GaN)也带来了一股清新力量。比如低功率的快充充电头,已经有多家厂商成功地将实验室中的氮化镓产品投放到市場,其中包括Anker的30W GaN充电器,因为采用了来自Power Integration的GaN芯片PI SC1933C,其体积比苹果官方20W充电器缩小了40%。
 
氮化镓(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矽器件充電器縮小40%(來源:Anker)
 
而最近面市的Anker PowerCore Fusion PD超级充则采用了纳微半导体(Navitas)的NV6115和NV6117 GaNFast功率芯片。据纳微半导体公司FAE和技术市場总监黄万年介绍,GaN器件相对硅器件可以将开关频率提高10倍,大大缩小被动元件的体积,特别是磁性元件,从而使得充电器的体积成倍的缩小。对于同样大小的手机充电器, 相对传统硅方案,基于氮化镓的方案可以做到快5倍以上的充电速度。对于大功率无线充电的应用,氮化镓的高频特性也可以进一步提升系统效率。
 
氮化镓(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
 
氮化镓(GaN):5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素
 
现在大部分智能手机的无线充电都是采用无线充电联盟(WPC)的Qi无线充电标准,但其充电速度慢,而且要求发射端和接收端要精确对齐,因此用户体验不是很好。磁共振是一种可以解决这些问题的解决方案,基于这一原理的Airfuel标准可以更快的速度为手机、平板、可穿戴设备及笔记本电脑等电子设备充电。这种无线充电标准采用6.78 MHz频率,这对硅基MOSFET器件是个挑战。宜普公司(EPC)的Alex Lidow认为eGaN FET器件和芯片可以更好地应对这一挑战,让系统效率达到有线充电方案的水平。硅基MOSFET器件的实际充电效率只有60-70%,而eGaN器件可以达到80-9%。
 
氮化镓(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英寸晶圓生産線。但是,在GaN上做外延層比在矽MOSFET上更複雜,並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,因爲氮化镓和襯底材料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,氮化镓晶體管(增強型氮化镓)的柵極需要驅動才能做到正常的開關,而氮化镓的柵極電壓阈值和最大電壓都很小,所以非常容易誤開啓,在設計上有非常大的難度。
 
英飞凌的陈清源认为,GaN器件所面临的主要挑战是可靠性、成本以及驱动等问题。氮化镓是常开型器件,难以被客户所应用和接受,因为用户已经习惯于硅器件的常闭型设计理念。为了解决这一设计问题,英飞凌在技术细节和工艺上做了一些改进,在栅极加了P-,做出了市場比较容易接受的常闭型器件。另一方面,氮化镓的动态导通电阻Rds(on)是业界所面临的棘手问题,原因是很多电子在开关的时候被漏级的电子陷在里面不流通。英飞凌通过引入P-把表面的电子中和掉,从根本上解决了这个技术难题。
另外,氮化镓功率器件的驅動也要考慮一些特殊性。首先,氮化镓一定要有一個穩態的導通電流來保持它的開通,然後需要負脈沖來關斷,這就對電源驅動設計造成了極大的挑戰。並非所有的設計公司都有很好的研發能力來驅動氮化镓器件,如果驅動不好,它的優勢就不能最大化。
 
国内厂商在氮化镓(GaN)市場的机会
目前,氮化镓增长最快的要数快充市場。随着手机电池容量的不断增加,大功率的快充变得越来越重要,而传统硅材料受限于体积以及功率密度的极限无法满足市場需要,氮化镓通过自身的优势迅速吸引了市場。但是,目前中国氮化镓功率应用市場还处于起步阶段,市場对于氮化镓的认识还不够,并且氮化镓自身的成本还太高。但随着硅基氮化镓成本的降低以及可靠性的大幅提高,采用氮化镓材料的快充充电器必将成为行业的主流。
 
同时,氮化镓在大功率市場的需求也非常巨大,尤其在5G基站供电模块,以及新能源汽车车载充电(OBC)领域,国内和国际厂商都将目光瞄准了这些市場。随着汽车的电动化,GaN在汽车领域的应用前景特别值得期待。中国是世界上最大的电动汽车市場之一,这也将促进GaN器件在中国市場的应用发展。
 
罗鹏博士认为,目前国内氮化镓供应商并不多,有很多公司是将建立氮化镓工艺线作为宣传嘘头,真正能够量产氮化镓功率或者射频芯片的公司如凤毛麟角。原因在于氮化镓生产线技术门槛和生产成本过高,而且氮化镓市場目前并不成熟,应用设计公司依然偏少。同时也应该看到,国内依然有像珠海英诺赛科和厦门三安集成这样的氮化镓供应商,勇于创新,在努力降低氮化镓的制造成本,同时不断提高氮化镓的性能。
 
結語
从市場应用来看,在未来相当长一段时期内,硅器件仍是市場的主流,而在一些硅材料所不能达到的高性能产品中,碳化硅和氮化镓可以作为很好的技术补充。所以硅、碳化硅和氮化镓的市場会同时、同步发展,不可或缺。虽然氮化镓在设计和制造工艺上还面临诸多挑战,但5G和汽车市場的需求将驱动着氮化镓器件的成本降低,逐渐为市場接受而进入大众化市場。
 
 
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