Part 1:GaN特別適合5G高頻應用

GaN材料是一種非常有前景的基板,特別適合5G應用;美國紐約大學(New York University)的學生在維吉尼亞州(Virginia)進行的一項實驗證實了這一點(參考圖1):

「(2016年)這個夏天,一群來自紐約大學的學生在一個不太可能的地方,針對一項關鍵的5G技術進行了重要的試驗;他們在8月駕駛一輛裝滿無線電設備的貨車,開了10小時來到維吉尼亞州西南部的鄉村小鎮Riner。令人高興的是,他們發現無線電波在這樣的鄉村環境中,即使有小山或一片樹林擋住了接收器的直接傳輸路線,也可以達到超過10km的傳輸距離。這個小組在發射器視距範圍內、距離達10.8km遠的14個站點探測到毫米波,並在距離達10.6km遠、接收器被掩蓋在山丘或綠樹成蔭的小樹林後面的17個地方將它們記錄下來。他們在73GHz的廣播頻率上實現了這一切,而功耗不到1W。」

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圖1:美國紐約大學學生進行的一項實驗顯示,5G技術在遠距離傳輸方面非常強大,而且耗費的功率很小。
(資料來源:紐約大學;拍攝於紐約大學教授Ted Rappaport維吉尼亞自宅)

許多研究已經證明,GaN這種材料是5G高頻應用的理想解決方案,如圖2所示:

「像SiC或GaN這樣的寬能隙(band gap)半導體具有高電子遷移率和寬能隙能量,因此這類功率元件可在高電壓和高溫環境下工作,如汽車應用。與SiC相較,GaN尤其具有更高的介電強度和更高的電子遷移率;因此GaN材料的Baliga性能指標(Baliga's figure of merit)和Baliga高頻性能指標(Baliga's high-frequency figure of merit)都大於SiC。這顯示GaN功率元件具有優異性能。」(資料來源:ResearchGate)

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圖2:兩種不同的GaN高電子遷移率電晶體(HEMT)結構。
(資料來源:《Which are the Future GaN Power Devices for Automotive Applications, Lateral Structures or Vertical Structures?》,作者:Tsutomu Uesugi與Tetsu Kachi)

利用GaN材料作為電力電子元件的基板不僅限於學術界,許多微電子領域的大公司也在投資研究GaN解決方案。例如,該領域的兩大巨擘ST和MACOM,最近宣佈合作開發基於GaN基板的射頻功率元件;ST發佈的新聞稿如下:

「MACOM與ST宣佈一份矽基氮化鎵合作開發協議。據此協定,ST為MACOM製造矽基氮化鎵射頻晶片,擴大MACOM之貨源外,還授權ST在手機、無線基地台和相關商用電信基礎建設之外的射頻市場製造、銷售矽基氮化鎵產品。

透過該協議,MACOM期望獲得更高的晶片產能和優化的成本結構,不只取代現有的LDMOS晶片,另加快矽基氮化鎵在主流市場上的應用。ST和MACOM為提升ST CMOS晶圓廠的矽基氮化鎵產量而合作多年,依照目前時程,ST預計在2018年開始量產樣品。」

Part 2:GaN準備進軍RF與汽車應用

由於GaN這種材料具備優異性能,將之用以製作電子電路會非常有吸引力,例如在高頻功率放大器的基板利用GaN,可以為電源管理帶來更高的效率並實現更寬的寬頻。這種方法在效率和線性度方面是一種非常好的解決方案,正如最近《Microwave Journal》的一篇文章指出:

「寬頻、線性、高效輸出回退(back-off)模式的RF功率放大器(RFPA)的設計方法,強調了最小化設計不確定性的重要性。採用這種方法,透過首次設計即可實現建模和測量性能之間的良好一致性。對頻率範圍從1.5到2.8GHz的線性RFPA的需求,推動了在輸出回退模式下工作的寬頻、線性和高效RFPA的新設計方法。提高PA效率一直是設計人員面臨的挑戰,部分原因在於諧波負載阻抗控制不佳。在微波頻率下測量波形的難度,使得是否能達到最佳波形整形難以確定。當較低工作頻率的諧波位於工作頻段時,寬頻設計會帶來額外的挑戰。這些固有的困難再加上不精確的設計,使得問題變得更為複雜,會導致多次耗時、昂貴的重複反覆運算。使用商用的離散式10W SiC基GaN封裝,採用0.25μm製程製造的高電子遷移率電晶體(Qorvo的T2G6000528)和20mil的RO4350B印刷電路板,即可證明這種設計方法的有效性。據此設計和製造的RFPA在其工作頻寬上,實現了大於40dBm的峰值功率和高於54%的峰值汲極效率。在回退模式下,當採用2.0-2.5GHz頻帶的2.5MHz、9.5dB峰均比(PAPR)的COFDM訊號驅動時,RFPA可以達到30dBc的未校正線性度,以及34%或更高的汲極效率。」

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圖3:使用GaN材料打造的RF功率放大器之「分散式負載網路損耗和匹配(a),以及換能器和工作功率增益與頻率的關係(b)」。
(來源:《Designing A Broadband, Highly Efficient, GaN RF Power Amplifier》,作者:J. Brunning和R. Rayit,英國SARAS Technology)

在電子應用中使用GaN基板不僅適合RF應用,最近AEC標準規範也選擇將該材料應用於汽車;如一篇來自《eeNews Europe》的報導指出,加拿大新創公司GaN Systems在今年的PCIM展會上宣佈與羅姆(ROHM)達成合作協定,這引起了業界極大的關注;該報導並引述了GaN Systems執行長Jim Witham的說法:

「...幾家供應商現已宣佈GaN元件達到AEC認證標準,Witham表示:『我們為所有汽車製造商提供了詳細的AEC Q+測試流程,他們都有測試結果。』然而,GaN是一種使能(enabling)技術,從消費性設計領域的無線充電器到資料中心的高效轉換器,需要廣泛的產品組合支援。『我們採取的方法是,針對從25W至25kW的任何電源系統設計開發基本的功能區塊;』他表示。」

汽車環境對IC的性能和強韌度要求很高,GaN材料的性能及其與矽和SiC材料在通態電阻與擊穿電壓關係方面的比較如圖4所示。

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圖4:矽基功率電晶體將要達到電力電子產業的運作頻率、擊穿電壓和功率密度的極限,而GaN的性能開始大放異彩。矽材料並不會滅絕,但能源需求會不斷增加,因此需要研究/使用新的方法和材料來滿足這些需求。
(來源:Transphorm)

Part 3:GaN優勢超越SiC

GaN材料正迅速成為所有電子應用的優選方案,因為這些應用在效率方面對性能的要求很高。積體電路的另一種新興基板材料SiC也是「閃亮新星」,而將GaN與SiC進行對比,前者的優勢顯而易見,如圖5所示。

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圖5:隨著消耗功率的變化,SiC和GaN材料在效率和接面溫度(junction temperature)的比較。
(來源:GaN Systems)

在兩個類似的應用電路中,分別使用基於GaN和SiC的IC,透過量測兩個電路的功率轉換效率即可對這兩種材料進行比較(如圖6)。GaN Systems的資料指出:「與碳化矽等效物相比,許多工程師對氮化鎵FET的性能表現還不太瞭解。因此,GaN Systems設計了兩個分別採用SiC和GaN的650V/15A開關電源,以對比它們的性能。」

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圖6:用於測量SiC和GaN材料性能的兩個應用電路。
(來源:GaN Systems)

GaN能與電子產業通常使用的其他材料相容,這從MACOM和ST達成的合作協議就可以看出;在雙方宣佈為RF應用開發和生產矽基GaN元件的新聞稿中,引述了MACOM總裁暨執行長John Croteau的說法:

「本協議是我們引領射頻產業朝向矽基GaN技術轉化之漫長征程中的一個里程碑。截至今日,MACOM透過化合物半導體小廠改善並驗證矽基GaN技術的優勢,射頻性能和可靠性甚至超越成本昂貴之矽基氮化鎵產品的替代技術。我們期待這項合作讓GaN的創新在矽供應鏈內結出碩果,最終服務於要求最高的客戶和應用。」

在該新聞稿中,ST汽車與離散元件產品部總裁Marco Monti則表示:「ST矽晶圓的製造規模和卓越的營運優勢將釋放新型射頻功率應用的潛力,且在製造成本上取得的突破將有助於增加矽上氮化鎵市佔率。雖然擴大現有射頻應用的機會極具吸引力,但是我們更想將矽基GaN鎵使用在新的射頻能源(RF Energy)應用,特別是汽車應用,例如,電漿點火可提升傳統引擎的燃燒效率,以及射頻照明應用將帶來更高效且持久的照明系統。」

Part 4:GaN能與CMOS元件整合

就非常大的工作頻率範圍來說,GaN作為高性能應用的基板材料之所以獲得成功,主要是圍繞將GaN基板元件與CMOS元件整合的可行性之大量研究活動的結果。以使用GaN作為基板而製造的LED為例來說明,在2012年1月1日出刊的《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》期刊第一期第30卷的一篇文章有詳細介紹(圖7):

「…,我們已經報導了來自8×8陣列可單獨定址微發光二極體(micro LED)的畫素的調變頻寬——畫素直徑範圍為14至84μm,峰值發光波長分別為370、405、450和520nm。對於使用標準磊晶LED晶圓和光學微影製程實現的單個發光器,觀察到的最高光學-3dB頻寬超過400MHz。

我們已發現一種特定micro LED畫素的調變頻寬,隨著注入電流密度的增加而增加,這要歸因於隨著micro LED主動區內電流密度(載流子密度)的增加,差分載流子的壽命被降低。較小面積的micro LED具有比較大面積的同類micro LED更高的最大調變頻寬,這是因為它們能夠以更高的注入電流密度工作。透過一個高速探針可以定址(addressed)micro LED裸晶,由此觀察到這些高頻寬。

作為朝著更實用的多發光器光學資料發射器(multi-emitter optical data transmitter)方向邁出的一步,450nm發射的micro LED與CMOS驅動器陣列晶片的整合使得陣列中的每個畫素都可以透過簡單的電腦介面和控制板來控制。CMOS控制下的micro LED的調變頻寬高達185MHz,使用開關鍵控的無差錯資料傳輸速度高達512Mbps位元速率。

與micro LED裸晶的測量相比,雖然這代表著頻率響應的降低,但是透過CMOS控制的micro LED提供的附加功能實現了良好的折衷,其中包括可以對陣列中的每個畫素進行方便的電腦控制,以及透過獨立調變多達16列micro LED來實現高輸送量平行資料傳輸的潛力。」(資料來源:《Visible-Light Communications Using a CMOS-Controlled Micro-Light-Emitting-Diode Array》,作者:Jonathan JD McKendry、David Massoubre、Shuailong Zhang、Bruce R. Rae、Richard P. Green、Erdan Gu、Robert K. Henderson、AE Kelly,以及IEEE院士Martin D. Dawson)

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圖7:基於AlInGaN合金系統的發光二極體可以產生可見光譜範圍內外的節能光。
(資料來源:ResearchGate.net)

GaN在電子產品中成功應用的另一個例子是新加坡南洋理工大學(NTU)副教授Boon Chirn Chye的研究(圖8)。

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圖8:南洋理工大學副教授Boon Chirn Chye的研究主要集中在GaN和CMOS RFIC。
(資料來源:ntu.edu)

對GaN基板材料的大量研究已經在半導體市場看到結果。實際上,GaN和CMOS的整合對於半導體領域的大型公司來說將會變得越來越重要。在下一部分中,我們將探討這個有趣的市場發展,以及參與其中的玩家。

Part 5:成長潛力十足的GaN市場

前面已經提到,GaN這種IC基板材料在寬廣的頻率範圍內都表現出卓越性能,特別適合超高速資料傳輸應用,如5G通訊:

「儘管對成長率的預測可能有很大差異,但大多數5G通訊供應商都認同,5G基礎設施市場在部署前後會非常迅速地成長;成長驅動因素包括對虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)等低延遲要求裝置不斷成長的需求,以及對智慧型手機和平板電腦等現有智慧裝置的高速連接需求的持續成長。此外,5G還將催生大量新的網路應用,包括自動駕駛和大規模M2M通訊,以及關鍵的物聯網應用等;固網寬頻服務的『最後一哩』也為5G技術提供了早期試驗基地,包括毫米波頻率。即使在4G基地台中,由於GaN具有更高的效率、功率密度和線性度,尤其是矽基GaN技術的商業化發展,已經將成本降低到與傳統LDMOS元件相當的水準,因此它已迅速取代以前由LDMOS元件實現的功能。據Wolfspeed估計,大約有40%的4G無線設備已經在發射器PA中使用GaN元件。專門為5G開發的更複雜技術,包括大規模MIMO和波束成形等,更讓GaN技術成為6GHz以下頻率基地台功率放大器的首選元件技術,有幾家化合物半導體元件供應商已經為此應用推出了5G就緒產品。Infineon和Mitsubishi在歐洲微波周(European Microwave Week)上均發佈了針對5G應用的3.5GHz候選頻段的GaN HEMT系列電晶體。」 (資料來源:Innovate UK)

GaN電晶體代表了GaN技術在實現電子元件方面的一個成功案例(見圖9),如Infineon的資料就指出:

「GaN具有矽無法企及的優勢,特別是它具有更高的臨界電場,而使其對功率半導體元件非常有吸引力,而且它具有非常好的導通阻抗和比矽開關更小的電容,因此使得GaN HEMT特別適合高速開關。Infineon CoolGaN技術旨在充分利用GaN的優勢,我們的400V和600V CoolGaN增強型HEMT適合消費和工業應用,如伺服器、電信、無線充電、轉接器和充電器等,並且遠遠超出現有標準。Infineon的增強型GaN HEMT基於當前市場上最強性能的概念,400V和600V CoolGaN HEMT專注於高性能和高穩健性,可提升許多應用領域中各種系統的價值。

GaN電晶體是如何運作的?CoolGaN採用p-GaN閘極結構,與具有增強型閘極驅動偏置的傳統矽MOSFET類似。當施加正閘極電壓時,電子會累積,並在汲極和源極之間的橫向二維電子氣(lateral two-dimensional electron gas,2DEG)層中形成一個低電阻溝槽。與具有PN接面基體二極體的矽MOSFET不同,GaN元件將反向電流作為一種開關狀態來傳導,從而消除了作為開關雜訊主要來源的反向恢復電荷。」 (資料來源:Infineon.com)

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圖9:Infineon的CoolGaN技術。
(資料來源:Infineon)

GaN在各種頻率下的出色表現使得這種材料非常適用於D類放大器,如圖10所示。

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圖10:Infineon D類放大器解決方案的優勢。
(資料來源:Infineon)

你是否認為GaN有潛力成為通訊應用中高性能電子元件的基板材料?

本文同步刊登於EDN電子技術設計2018年11月平面雜誌

原文刊載於EDN姊妹刊,ASPENCORE旗下Planet Analog網站;參考連結: