無(wú)線通信可能始于 1990 世紀(jì)后期,但它直到 <> 年代才真正開始了一場(chǎng)連接革命,當(dāng)時(shí)商用 MOSFET 和射頻橫向擴(kuò)散金屬氧化物 (LDMOS) 電路提供了急需的功率、效率和價(jià)格點(diǎn)。
這場(chǎng)革命通過(guò)2G,3G以及最近的4G蜂窩鏈路將我們?cè)谌蚍秶鷥?nèi)連接起來(lái),不僅攜帶語(yǔ)音,還攜帶大量信息,已經(jīng)導(dǎo)致每年在各種類型的設(shè)備之間傳輸1.5澤字節(jié)(ZB)的IP數(shù)據(jù)(根據(jù)思科的視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù))。
隨著各種設(shè)備開始聯(lián)網(wǎng),對(duì)速度的需求正在推動(dòng)行業(yè)走向5G,承諾更大的帶寬和更少的延遲。許多5G頻段所在的頻段對(duì)于基于硅(Si)的傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件來(lái)說(shuō)太具有挑戰(zhàn)性了。
用于高頻的氮化鎵
RF LDMOS之于早期蜂窩網(wǎng)絡(luò),氮化鎵(GaN)之于現(xiàn)代和高頻應(yīng)用。與砷化鎵(GaAs)和Si LDMOS相比,GaN長(zhǎng)期以來(lái)一直具有難以超越的優(yōu)勢(shì):
電子遷移率明顯高于LDMOS。增加的電子遷移率可在更高的頻率下提供更多的增益和更高的效率。
擊穿電壓明顯高于砷化鎵和低密度計(jì)速。GaN的擊穿臨界電場(chǎng)估計(jì)超過(guò)4 MV / cm,Si的0.2 MV / cm和GaAs的0.4 MV / cm。GaN 在 28V 至 50V 的電源電壓下具有高可靠性和耐用性。
由于更好的熱傳導(dǎo),減小了芯片尺寸。
高活化能使GaN器件能夠以更少的冷卻方式運(yùn)行,并且無(wú)需昂貴且復(fù)雜的熱提取結(jié)構(gòu)。
高功率密度導(dǎo)致更低的電容和更高的阻抗,更容易匹配。
GaN HEMT特性非常適合預(yù)失真等線性化技術(shù)。
基板挑戰(zhàn)
向GaN的轉(zhuǎn)化正在進(jìn)行中,但存在技術(shù)挑戰(zhàn),包括生長(zhǎng)GaN外延膜的困難。這是由于難以制造尺寸和純度的天然GaN基板以競(jìng)爭(zhēng)用于同質(zhì)外延。因此,需要另一種底物 - 用于異型外延生長(zhǎng)。
基材的選擇至關(guān)重要。這種材料不僅必須具有高導(dǎo)熱性,而且還必須與GaN的低晶格失配。
雖然公司已經(jīng)在硅、碳化硅(SiC)和金剛石襯底上制造了GaN器件,但目前只有SiC最能滿足所有要求。
碳化硅還是硅上的氮化鎵?
SiC緊密匹配的晶格結(jié)構(gòu)意味著GaN外延可以在其上生長(zhǎng),其位錯(cuò)密度低于其他材料。這減少了泄漏并提高了可靠性。
另一方面,Si既不符合GaN的晶格結(jié)構(gòu),也不符合熱性能。這會(huì)導(dǎo)致更高的缺陷密度以及由于翹曲而導(dǎo)致的可靠性和可制造性問(wèn)題。為了克服這些問(wèn)題,公司必須使用復(fù)雜的緩沖層和整體更復(fù)雜的外延結(jié)構(gòu)。
由于SiC與GaN一樣,具有比Si更好的導(dǎo)熱性,因此它可以有效地耗散高功率密度,以實(shí)現(xiàn)實(shí)際的漏極效率,從而防止由于自熱而導(dǎo)致的極端溝道溫度。SiC 和 Si 的導(dǎo)熱系數(shù)之間的差異是巨大的:430H 半絕緣 (SI) SiC 多型為 4 W/mK,而 Si 的導(dǎo)熱系數(shù)為 146 W/mK。這意味著,等效功率的硅基氮化鎵器件的芯片尺寸必須比SiC上的氮化鎵器件大約20%,以便分散熱負(fù)荷,即使硅襯底嚴(yán)重變薄也是如此。
此外,與SiC上的GaN相比,Si上的GaN容易隨著溫度的升高而性能下降。當(dāng)Si襯底加熱時(shí),其電阻率顯著降低。低電阻率的襯底等同于較高的RF損耗,從而對(duì)RF性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
Si 襯底還具有比 SiC 襯底更高的寄生電容,這導(dǎo)致 Si 襯底具有更有限的工作帶寬。
GaN對(duì)SiC器件對(duì)總成本的影響,考慮到更高的效率、更好的高頻操作、更小的芯片尺寸以及空間和重量的節(jié)省,使其成為比硅上的GaN更具吸引力的解決方案。
審核編輯:郭婷
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