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射频有关的氮化镓技术应用

射频有关的氮化镓技术应用

和主流硅基的LDMOS或者Bipolar相比,目前氮化镓的成本略高,这也阻碍了氮化镓有关的组件在市场上进一步扩展。但是通过工艺的进步以及产业链规模的扩张,氮化镓的成本劣势在不断的被改善。此外在工艺技术方面,目前氮化镓的工艺参数还没有达到最先进的工艺,这也限制了其工作特性,大部分氮化镓无法支持5G高频频段,这也是需要改进的地方。

为了把氮化镓技术扩展到更大领域,需要更进一步的产业链变革,根据MACOM无线产品中心总监成钢的介绍,为此不久前MACOM就与意法半导体签署协议,协议内容包括意法半导体为MACOM制造硅基氮化镓射频晶片,除扩大MACOM的货源外,该协议还授权意法半导体在手机、无线基站和相关商用电信基础设施以外的射频市场上制造、销售硅基氮化镓产品。利用意法半导体成熟的CMOS工艺来制造氮化镓,和传统的利用近似砷化镓的工艺制作,差距是巨大的,因此会对整个成本架构产生根本性改变,因为目前氮化镓晶圆的极限尺寸是8寸,但是到了CMOS主流工艺之后,甚至可以在12寸晶圆上制造氮化镓,成本下降不可同日而语。

一般来讲,器件的物理特性决定着其可能应用,因为氮化镓高禁带电压比较高,支持更高的频率,因此可应用于高压高功率和宽带宽的场合。理论上来说,现有的采用传统工艺的射频微波应用,氮化镓都可以有一席之地。但如果考虑到短时间内的话,大功率放大器,大功率开关以及高频微波级别的功率应用上,将有它的独特优势,包括功率放大器、开关、限幅器等,同时在低功率应用中,包括传统的低噪声放大器、手机放大器、电源转换等应用场合中,氮化镓同样是适合的。从客户的接受程度或者说实际使用上来说,目前氮化镓已相对成熟,尤其是在基站、工业甚至军品、雷达等应用中,对于可靠性一致性要求比较高,都已接受氮化镓技术。实际上20世纪90年代,硅基氮化镓就应用在美国军用电台中,累计出货量超过一百万片,至今没有一片出问题。

LDMOS和硅基氮化镓及碳化硅基氮化镓列表.jpg
2018-6-7 11:36



如图所示,目前硅基氮化镓技术比LDMOS具有很大优势,而同时相比碳化硅基氮化镓来说,成本、线性度等方面要好很多。

在实际案例中,通过横向比较,硅基的氮化镓相比碳化硅基的氮化镓在线性度上有更好的表现,更加适合对基站的复杂信号进行数字调制。在产能上,碳化硅基由于其材料特性不支持更大晶圆,因此在供货和价格上,硅基氮化镓的优势会逐步积累。未来硅基氮化镓可以在大部分领域甚至包括高端的军用领域取代碳化硅基产品。另外相比砷化镓,氮化镓拥有高的饱和功率,所以当作低噪声放大器使用时,适合雷达等应用领域,可以省略掉限幅器,限幅器的主要作用就是防止高功率干扰信号对放大器带来损失。所以简化的系统噪声系数会好于砷化镓产品,除此之外混频器等应用中,更好的动态范围也比砷化镓更合适。这些材料结构本身的优势,如果要体现出价值的话,就需要结合客户的具体需求。

目前硅基氮化镓应用领域主要包括基站与射频能量两方面,这两大应用虽然原理不同,但技术具有共通性,因此可节约不少基础开发成本。在射频能量方面,由于微波射频的加热性,氮化镓可用在更多的工业及生活领域中,包括射频厨具、射频烘干机、射频照明、射频肿瘤治疗、火花塞甚至智慧农业照明等,同时因为微波射频具有精准的控制特性,因此可以实现更好的能效比以及更好的方向性等特点。在数据通信方面,目前在整个基站信号链路中,PA成本大概要占据40%,因此PA的成本直接影响到整个系统成本。除了通过产能提升降低成本之外,大规模的整合集成也是未来的需求,尤其是针对5G MIMO所对应的64甚至128链路而言,集成度是关键所在,未来CMOS制程的硅基氮化镓MMIC一定会有市场潜力,因为砷化镓MMIC的频率将无法满足需求。

作为最早由美国军方引入的氮化镓技术,因为当时主要采用的碳化硅基,所以硅基市场目前处于小众市场,供应商不多。原来硅能够体现的一些优势,包括集成度和成本,在氮化镓市场好像不太容易听到,但是随着市场接受度逐渐提高,目前这个局面正在改变,硅基氮化镓优势将会慢慢体现出来。
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作为半导体行业的支柱型企业,在60多年的蓬勃发展历程中,敢于采用大胆的技术手段,为客户提供真正的竞争优势并为投资者带来卓越的价值,致力于构筑更加美好的世界。MACOM总部位于美国马萨诸塞州洛厄尔,已通过ISO9001国际质量标准和ISO14001环境管理标准的认证,在北美、欧洲、亚洲和澳大利亚设立了多个设计中心和销售办事处。
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