氮化鎵在毫米波應(yīng)用中占有一席之地

了解 5G NR 新無線電

早在 1980 年代，俗話說毫米波長的使用“指日可待，而且永遠(yuǎn)都是”?？梢哉f，就在幾年前，你仍然可以提出這個論點。除了Ka波段衛(wèi)星通信，車輛高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）以及一些國防和科學(xué)應(yīng)用外，“那里”并沒有發(fā)生太多事情。但是，當(dāng)毫米波頻率被納入5G新無線電（NR）的標(biāo)準(zhǔn)時，情況發(fā)生了迅速變化，這在非常短的時間內(nèi)開始了連續(xù)不斷的顯著成就。

片上射頻系統(tǒng)

例如，多家半導(dǎo)體制造商開發(fā)了片上系統(tǒng) （SoC），其中包括整個射頻 （RF） 信號鏈和有源相控陣天線，該天線在微型封裝中集成了數(shù)十個元件。硅鍺（SiGe），雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體（BiCMOS），絕緣體上硅（SoI）甚至磷化銦（InP）都在這些設(shè)備上投入使用，那么GaN在哪里適合這個圖景？

這個問題的答案是，GaN可以為毫米波系統(tǒng)提供與較低頻率和相同原因的好處。GaN 在 2000 年代中期風(fēng)靡全球，因為它的功率密度、效率和承受高擊穿電壓的能力優(yōu)于硅或氮化鎵 （GaAs）。

功率應(yīng)用中的氮化鎵

首先以分立形式出現(xiàn)，然后作為單片微波集成電路（MMIC），碳化硅氮化鎵（SiC）已成為許多商業(yè)和國防應(yīng)用的“首選”技術(shù)。所有這些優(yōu)勢對于毫米波長的GaN仍然有效，盡管實現(xiàn)高功率水平并不像在較低頻率下那么重要，因為相控陣可以達(dá)到增益，并且可以通過非常小的相控陣在窄波束中引導(dǎo)，它們可以由許多天線元件組成。

GaN的主要優(yōu)點之一是其功率密度（每單位芯片尺寸可以產(chǎn)生的功率量），明顯高于同類產(chǎn)品。硅器件的功率密度為0.2 W/mm，GaAs達(dá)到約1 W/mm，而GaN的（理論）功率密度超過30 W/mm，SiC（用作GaN器件的襯底材料）為10 W/mm。盡管碳化硅基氮化鎵器件在達(dá)到30 W/mm之前還有很長的路要走，但目前最先進(jìn)的碳化硅基氮化鎵器件至少達(dá)到了11 W/mm。這可能是一個低估，因為出于顯而易見的原因，制造商將這個指標(biāo)放在胸前。也就是說，雖然實現(xiàn)巨大的功率密度非常令人印象深刻，但它也會產(chǎn)生同樣巨大的熱量，這些熱量必須從芯片開始迅速分散，并延伸到基板和向外延伸。

為什么GaN的寬帶隙如此重要？

為了使GaN器件能夠在其結(jié)溫區(qū)內(nèi)“舒適”地工作并確保長期可靠性，放大器設(shè)計人員必須在可實現(xiàn)的目標(biāo)與商業(yè)上可行的目標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡。對于當(dāng)今的大多數(shù)系統(tǒng)，最先進(jìn)的熱管理技術(shù)將其限制在約5至7 W/mm2，盡管使用先進(jìn)（和更昂貴）的基板材料（如金剛石基板和鋁-金剛石基體復(fù)合散熱器）可以在一定程度上增加這一比例。

雖然其他競爭者可以在Ka波段實現(xiàn)幾瓦的RF輸出功率，但GaN的高功率密度可以在更高的頻率下以較小的尺寸提供10倍的功率。例如，GaN MMIC已經(jīng)證明它們能夠在47至90 GHz范圍內(nèi)產(chǎn)生超過140 mW的功率。

因此，GaN MMIC被用于取代行波管放大器（TWTA）也就不足為奇了，直到最近，行波管放大器是唯一在毫米波長下產(chǎn)生可觀的RF功率的設(shè)備。與GaAs贗態(tài)高電子遷移率晶體管（pHEMT）相比，它們的功率密度使GaN MMIC能夠減少80%以上的材料需求，因此由于在MMIC和模塊級別降低了片上組合損耗，因此它們可以提供更高的效率。

例如，雷神公司前段時間表示，與砷化鎵MMIC相比，有源電子掃描陣列（AESA）搜索雷達(dá)可以在相同的時間內(nèi)實現(xiàn)五倍的搜索量，使用更小50%的天線陣列尺寸，以相同的靈敏度實現(xiàn)50%的范圍。

GaN的大部分實力來自于它是一種寬帶隙（WBG）材料。WBG器件可以消除目前在AC-DC和DC-AC電力轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的高達(dá)90%的功率損耗，工作電壓比硅基器件高10倍，工作溫度高于300°C。

為了更好地理解這些特征，我們需要深入研究物理學(xué)?；旧?，固體中的電子存在于結(jié)合形成能帶的能級上。頂部的帶稱為導(dǎo)帶，下一個較低的帶稱為價帶。價帶和導(dǎo)帶之間的區(qū)域是帶隙。

氮化鎵中的極化電荷

在WBG材料中，當(dāng)價帶中的電子被外部激發(fā)足夠多時，它們可以向上移動到導(dǎo)帶。導(dǎo)體（例如銅）沒有帶隙，因為兩個能帶重疊。絕緣材料的間隙非常寬，以至于需要太多的能量來橋接它。但是半導(dǎo)體更接近導(dǎo)體（因此稱為“半導(dǎo)體”），并允許一定量的能量在價帶和導(dǎo)帶之間交叉。

該能量的量決定了半導(dǎo)體在帶隙層次結(jié)構(gòu)中的位置。參考材料通常是硅，因為它的帶隙為1.1電子伏特（eV）或砷化鎵（1.4eV）。相比之下，GaN的帶隙為3.4 eV，當(dāng)與具有3 eV帶隙能量的SiC襯底結(jié)合使用時，GaN可以實現(xiàn)更高的擊穿和工作電壓。

了解氮化鎵技術(shù)

盡管今天GaN的好處是在較低頻率上實現(xiàn)的，但它們在毫米波頻率上的使用正在快速增長，特別是對于在較高頻率下出現(xiàn)威脅的防御系統(tǒng)，需要比低地球軌道對應(yīng)物更高的有效輻射功率的地球同步衛(wèi)星以及5 GHz及以上的60G網(wǎng)絡(luò)，其中中繼器的使用正在減少覆蓋給定區(qū)域所需的小型蜂窩數(shù)量。隨著無線行業(yè)進(jìn)入第六代，GaN將發(fā)揮更大的作用，因為工作頻率增加到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100 GHz，在GaN的最大截止頻率范圍內(nèi)。

審核編輯：郭婷