5G的到來(lái)將會(huì )給半導體材料帶來(lái)革命性的變化，無(wú)論是硅襯底還是碳化硅襯底，氮化鎵(GaN)都將獲得快速發(fā)展。從2G到5G，通信頻率在不斷地向高頻發(fā)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，氮化鎵(GaN)必將以其獨特的高頻特性、超高的功率密度，以及優(yōu)越的集成度成為5G技術(shù)的核心器件。

 

第三代半導體材料氮化鎵(GaN)

氮化鎵(GaN, Gallium Nitride)是一種直接帶隙半導體材料，硬度很高。氮化鎵的帶隙為3.4 eV，而現今最常用的半導體材料硅的帶隙為1.12 eV，因此氮化鎵在高功率和高速器件中具有比硅器件更好的性能。

另外，氮化鎵對電磁輻射的敏感性較低，氮化鎵器件在輻射環(huán)境中顯示出很高的穩定性。相比砷化鎵(GaAs)晶體管，氮化鎵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。

 

作為第三代半導體材料，氮化鎵(GaN)的研究和應用已經(jīng)有20多年的歷史，但直到最近幾年才開(kāi)始凸顯出其商業(yè)化的發(fā)展前景，5G無(wú)疑是背后的主要驅動(dòng)力之一。5G通信的射頻前端有著(zhù)高頻和高效率的嚴格要求，這正是氮化鎵(GaN)的用武之地。另外，汽車(chē)電動(dòng)化和便攜式電子產(chǎn)品快速而高效的充電需求也將驅動(dòng)氮化鎵(GaN)功率器件走向大眾市場(chǎng)，逐漸替代傳統的硅功率器件。

 

5G為GaN打開(kāi)應用的“閘門(mén)”

5G的到來(lái)將會(huì )給半導體材料帶來(lái)革命性的變化，無(wú)論是硅襯底還是碳化硅襯底，氮化鎵(GaN)都將獲得快速發(fā)展。從2G到5G，通信頻率在不斷地向高頻發(fā)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，氮化鎵(GaN)必將以其獨特的高頻特性、超高的功率密度，以及優(yōu)越的集成度成為5G技術(shù)的核心器件。

 

據市場(chǎng)調研公司Yole Development預測，全球GaN RF器件的市場(chǎng)規模到2024年將超過(guò)20億美元，其中無(wú)線(xiàn)通信和軍事應用占據絕大部分。

 

圖一：GaN RF器件的市場(chǎng)規模預測（來(lái)源：Yole Development）

 

氮化鎵(GaN)向來(lái)以較高的功率處理能力而著(zhù)稱(chēng)，是基站、雷達和航空電子等無(wú)線(xiàn)通信設備的首選放大器材料，在4G通信系統中也已經(jīng)使用多年。在5G移動(dòng)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(shù)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對比硅基LDMOS和GaAs

在射頻前端應用中，硅基LDMOS器件和砷化鎵(GaAs)仍是主流器件，氮化鎵(GaN)相對于它們有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)呢？成都氮矽科技創(chuàng )始人兼CTO羅鵬博士認為，氮化鎵(GaN)的高頻特性要優(yōu)于砷化鎵(GaAs)和LDMOS。LDMOS只能用于3.5GHz以下的應用，砷化鎵雖然可以做到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。而氮化鎵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。

 

 

此外，氮化鎵(GaN)的帶隙電壓比硅基LDMOS器件和砷化鎵(GaAs)都高，GaN可以工作于28V或更高的電壓，而GaAs工作電壓為10V，LDMOS約為6V。AMCOM通信公司CTO Ho. Huang認為，氮化鎵具有更高的輸出功率性能，特別適合長(cháng)距離通信的大功率應用。（此處插入頭像及人物簡(jiǎn)介：AMCOM通信公司CTO Ho. Huang，美國IEEE 會(huì )員）

 

意法半導體(ST)新材料和電源方案事業(yè)部的創(chuàng )新和關(guān)鍵項目戰略營(yíng)銷(xiāo)總監Filippo Di Giovanni表示，在現今的射頻前端電路中，GaAs仍然是高頻小信號器件的選擇基準，因為這種應用需要低噪聲系數。在這些應用中，GaAs取代了LDMOS器件，基于GaAs的MMIC芯片集成開(kāi)關(guān)和放大器已經(jīng)廣泛用于智能手機和平板電腦等電池供電的便攜式設備。對于給定的輸出功率，雖然GaAs放大器的線(xiàn)性和失真度通常優(yōu)于GaN放大器，但可以通過(guò)數字預失真技術(shù)幫助GaN在高頻下實(shí)現線(xiàn)性化。他預測，隨著(zhù)GaN技術(shù)向更小的工藝節點(diǎn)演進(jìn)，在達到0.15um柵長(cháng)時(shí)，GaN將挑戰GaAs器件在便攜式無(wú)線(xiàn)應用中的主導地位。

 

 

圖二：氮化鎵(GaN)在通信基站中的應用趨勢（來(lái)源：Yole Development）

 

相對于砷化鎵和硅基LDMOS，氮化鎵的成本依然過(guò)高，特別是在RF應用中多以碳化硅(SiC)為襯底的情況下。砷化鎵和硅基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(yè)界已經(jīng)成功將GaN生長(cháng)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。

氮化鎵(GaN)的成本劣勢阻礙了它的快速發(fā)展，但其發(fā)展前景仍然樂(lè )觀(guān)?，F在業(yè)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(zhù)制造工藝的提升和成本的下降，相信氮化鎵必將取代砷化鎵和LDMOS，現階段5G行業(yè)仍然需要傳統硅基半導體和新興第三代半導體的相互補充和共存發(fā)展。

 

包絡(luò )跟蹤技術(shù)需要GaN支持

在一個(gè)典型的基站中，50％的電能是功率放大器（PA）消耗掉的，同時(shí)還需要體積較大的散熱系統來(lái)處理額外的熱量。雖然提高能效和減少散熱量一直是無(wú)線(xiàn)通信行業(yè)的要求，但對于2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò )并非是當務(wù)之急。對于5G網(wǎng)絡(luò )就完全不同了，運營(yíng)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(zhù)PAPR的增大，PA的效率就會(huì )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(méi)有在幅度里載入任何信息，換句話(huà)說(shuō)，包絡(luò )是恒定的。3G、4G和5G技術(shù)則采用不同的調制方法，包絡(luò )不再是恒定的。實(shí)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(xiàn)性功放（LPA）無(wú)法實(shí)現高能效。為應對這一挑戰，包絡(luò )跟蹤（ET）技術(shù)就被引入進(jìn)來(lái)了。

據宜普公司(EPC)創(chuàng )始人兼CEO Alex Lidow介紹，使PA獨立于PAPR而保持效率的一種方法是，僅在PA需要時(shí)才為其供電，即在峰值時(shí)提供高電壓，而在谷值時(shí)供應低電壓。利用eGaN FET來(lái)實(shí)現包絡(luò )跟蹤以便保持通信系統的PA效率已經(jīng)超過(guò)5年了。
 

 

圖三：包絡(luò )跟蹤技術(shù)提高能效的示意圖（來(lái)源：EPC）

 

包絡(luò )跟蹤技術(shù)通過(guò)調制線(xiàn)性功放(LPA)的電源電壓，跟蹤射頻信號的包絡(luò )，從而提高漏極能效(DE)。這將考驗包絡(luò )跟蹤的電源性能，因為PAPR比值和包絡(luò )信號帶寬變大了。為了提高能效，需要用開(kāi)關(guān)式轉換器代替線(xiàn)性轉換器。這些轉換器的開(kāi)關(guān)頻率非常高，因為所跟蹤的無(wú)失真包絡(luò )信號的帶寬非常寬。例如，對于20 MHz(4G網(wǎng)絡(luò ))的帶寬，轉換器的開(kāi)關(guān)頻率就要達到200 MHz。5G的包絡(luò )帶寬高達100MHz，轉換器的開(kāi)關(guān)頻率要求更高。

 

當開(kāi)關(guān)頻率非常高時(shí)，傳統硅基功率開(kāi)關(guān)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認為，受到5G青睞的包絡(luò )跟蹤技術(shù)將為GaN開(kāi)啟快速發(fā)展之門(mén)。

 

氮化鎵在電源管理上的性能優(yōu)勢

氮化鎵是一種寬禁帶(WBG)半導體材料，與傳統的硅半導體材料相比，它能夠讓功率器件在更高的電壓、頻率和溫度下運行。在電源管理應用上，氮化鎵的優(yōu)勢包括：

1. 傳導損耗小，能效高。氮化鎵晶體管的導通電阻(Rds,on)是傳統硅器件的一半，在相同輸出電流下?lián)p耗更小，能效更高。低損耗同時(shí)意味著(zhù)低發(fā)熱，從而可以有效地簡(jiǎn)化散熱器件和熱管理系統設計。

2. 氮化鎵晶體管內不含體二極管，沒(méi)有反向恢復損耗。

3. 氮化鎵晶體管的輸入電荷非常小，幾乎沒(méi)有柵極驅動(dòng)損耗。

4. 氮化鎵功率器件可以支持更高的開(kāi)關(guān)頻率(GaN：1MHz，Si：<100KHz)，從而減小無(wú)源器件的體積。

5. 氮化鎵器件的功率密度很大，能夠達到硅基LDMOS的四倍以上，在減小體積的同時(shí)可以增大輸出功率。

 

英飛凌電源管理及多元化市場(chǎng)事業(yè)部大中華區高級市場(chǎng)經(jīng)理陳清源對同為第三代半導體材料的氮化鎵(GaN)和碳化硅的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比，二者都具有快速開(kāi)關(guān)性能，有助于提高效率，但是氮化鎵比硅的損耗低。在應用場(chǎng)景下進(jìn)一步對比可以發(fā)現，在高功率和更高壓應用場(chǎng)景下，碳化硅體現出很好的成熟度和性?xún)r(jià)比；而在100V至600V的低中壓應用中，氮化鎵就能夠發(fā)揮出更高的性?xún)r(jià)比。就結構來(lái)看，GaN是橫向結構(比如JFET)，很難達到SiC MOSFET(垂直結構)的高電壓能力。

 

 

GaN對于本征是常關(guān)的開(kāi)關(guān)更具吸引力，它代表著(zhù)迄今所用的全部硅晶體管的后續技術(shù)。此外，從整體系統的角度考慮，氮化鎵的優(yōu)勢在于能夠使拓撲結構變得更加緊湊。英飛凌研發(fā)的CoolGaN系列產(chǎn)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(kāi)關(guān)，可以做到設計輕薄、功率密度進(jìn)一步提高，從而使轉換效率有更大的提升，降低整個(gè)系統的成本。

 

安森美半導體戰略營(yíng)銷(xiāo)總監Yong Ang進(jìn)一步解釋說(shuō)，GaN器件相比硅器件的寄生電容低，因而可以降低門(mén)極電荷Qg相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，使開(kāi)關(guān)頻率提高到幾百kHz至MHz范圍，而不降低能效。與硅功率器件不同，GaN因為沒(méi)有體二極管，在鋁鎵氮(AlGaN)/GaN邊界表面的二維電子氣(2DEG)可以反向傳導電流，但沒(méi)有反向恢復電荷QRR，非常適合硬開(kāi)關(guān)應用。由于GaN對過(guò)電壓的敏感性和相對于硅非常有限的雪崩能力，特別適合半橋拓撲，其中漏源電壓鉗位到軌道電壓。GaN在諧振LLC、有源鉗位反激以及硬開(kāi)關(guān)圖騰柱PFC等零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)拓撲結構中具有很大的吸引力。

 

氮化鎵(GaN)功率器件的市場(chǎng)驅動(dòng)力

根據IHS市場(chǎng)調研報告預測，GaN功率器件的市場(chǎng)增長(cháng)快速，每年CAGR超過(guò)30% ，預計到2027市場(chǎng)規模將超過(guò)10 億美元。除5G通信市場(chǎng)外，汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)也是氮化鎵(GaN)功率器件的主要驅動(dòng)力。即便在價(jià)格敏感的消費電子市場(chǎng)，氮化鎵(GaN)也帶來(lái)了一股清新力量。比如低功率的快充充電頭，已經(jīng)有多家廠(chǎng)商成功地將實(shí)驗室中的氮化鎵產(chǎn)品投放到市場(chǎng)，其中包括Anker的30W GaN充電器，因為采用了來(lái)自Power Integration的GaN芯片PI SC1933C，其體積比蘋(píng)果官方20W充電器縮小了40%。

 

圖四：采用GaN器件的充電器體積比傳統硅器件充電器縮小40%（來(lái)源：Anker）
 

而最近面市的Anker PowerCore Fusion PD超級充則采用了納微半導體(Navitas)的NV6115和NV6117 GaNFast功率芯片。據納微半導體公司FAE和技術(shù)市場(chǎng)總監黃萬(wàn)年介紹，GaN器件相對硅器件可以將開(kāi)關(guān)頻率提高10倍，大大縮小被動(dòng)元件的體積，特別是磁性元件，從而使得充電器的體積成倍的縮小。對于同樣大小的手機充電器， 相對傳統硅方案，基于氮化鎵的方案可以做到快5倍以上的充電速度。對于大功率無(wú)線(xiàn)充電的應用，氮化鎵的高頻特性也可以進(jìn)一步提升系統效率。

 

 

 

現在大部分智能手機的無(wú)線(xiàn)充電都是采用無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(WPC)的Qi無(wú)線(xiàn)充電標準，但其充電速度慢，而且要求發(fā)射端和接收端要精確對齊，因此用戶(hù)體驗不是很好。磁共振是一種可以解決這些問(wèn)題的解決方案，基于這一原理的Airfuel標準可以更快的速度為手機、平板、可穿戴設備及筆記本電腦等電子設備充電。這種無(wú)線(xiàn)充電標準采用6.78 MHz頻率，這對硅基MOSFET器件是個(gè)挑戰。宜普公司(EPC)的Alex Lidow認為eGaN FET器件和芯片可以更好地應對這一挑戰，讓系統效率達到有線(xiàn)充電方案的水平。硅基MOSFET器件的實(shí)際充電效率只有60-70%，而eGaN器件可以達到80-9%。

 

氮化鎵(GaN)在設計和制造工藝上的技術(shù)挑戰

GaN器件無(wú)疑受益于現有類(lèi)似CMOS的晶圓制造工藝，而且在不久的將來(lái)會(huì )遷移到8英寸晶圓生產(chǎn)線(xiàn)。但是，在GaN上做外延層比在硅MOSFET上更復雜，并且外延層對器件的動(dòng)靜態(tài)電性能的影響更明顯。不同的廠(chǎng)商使用不同的功率GaN器件，每種方案都有不同的柵極驅動(dòng)器、電流崩塌效應和封裝。

 

在制造方面，因為氮化鎵和襯底材料Si的晶格匹配度差，生長(cháng)時(shí)會(huì )出現崩塌而導致良品率低。在設計方面，氮化鎵晶體管(增強型氮化鎵)的柵極需要驅動(dòng)才能做到正常的開(kāi)關(guān)，而氮化鎵的柵極電壓閾值和最大電壓都很小，所以非常容易誤開(kāi)啟，在設計上有非常大的難度。

 

英飛凌的陳清源認為，GaN器件所面臨的主要挑戰是可靠性、成本以及驅動(dòng)等問(wèn)題。氮化鎵是常開(kāi)型器件，難以被客戶(hù)所應用和接受，因為用戶(hù)已經(jīng)習慣于硅器件的常閉型設計理念。為了解決這一設計問(wèn)題，英飛凌在技術(shù)細節和工藝上做了一些改進(jìn)，在柵極加了P-，做出了市場(chǎng)比較容易接受的常閉型器件。另一方面，氮化鎵的動(dòng)態(tài)導通電阻Rds(on)是業(yè)界所面臨的棘手問(wèn)題，原因是很多電子在開(kāi)關(guān)的時(shí)候被漏級的電子陷在里面不流通。英飛凌通過(guò)引入P-把表面的電子中和掉，從根本上解決了這個(gè)技術(shù)難題。

另外，氮化鎵功率器件的驅動(dòng)也要考慮一些特殊性。首先，氮化鎵一定要有一個(gè)穩態(tài)的導通電流來(lái)保持它的開(kāi)通，然后需要負脈沖來(lái)關(guān)斷，這就對電源驅動(dòng)設計造成了極大的挑戰。并非所有的設計公司都有很好的研發(fā)能力來(lái)驅動(dòng)氮化鎵器件，如果驅動(dòng)不好，它的優(yōu)勢就不能最大化。

 

國內廠(chǎng)商在氮化鎵(GaN)市場(chǎng)的機會(huì )

目前，氮化鎵增長(cháng)最快的要數快充市場(chǎng)。隨著(zhù)手機電池容量的不斷增加，大功率的快充變得越來(lái)越重要，而傳統硅材料受限于體積以及功率密度的極限無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，氮化鎵通過(guò)自身的優(yōu)勢迅速吸引了市場(chǎng)。但是，目前中國氮化鎵功率應用市場(chǎng)還處于起步階段，市場(chǎng)對于氮化鎵的認識還不夠，并且氮化鎵自身的成本還太高。但隨著(zhù)硅基氮化鎵成本的降低以及可靠性的大幅提高，采用氮化鎵材料的快充充電器必將成為行業(yè)的主流。

 

同時(shí)，氮化鎵在大功率市場(chǎng)的需求也非常巨大，尤其在5G基站供電模塊，以及新能源汽車(chē)車(chē)載充電(OBC)領(lǐng)域，國內和國際廠(chǎng)商都將目光瞄準了這些市場(chǎng)。隨著(zhù)汽車(chē)的電動(dòng)化，GaN在汽車(chē)領(lǐng)域的應用前景特別值得期待。中國是世界上最大的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)之一，這也將促進(jìn)GaN器件在中國市場(chǎng)的應用發(fā)展。

 

羅鵬博士認為，目前國內氮化鎵供應商并不多，有很多公司是將建立氮化鎵工藝線(xiàn)作為宣傳噓頭，真正能夠量產(chǎn)氮化鎵功率或者射頻芯片的公司如鳳毛麟角。原因在于氮化鎵生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)門(mén)檻和生產(chǎn)成本過(guò)高，而且氮化鎵市場(chǎng)目前并不成熟，應用設計公司依然偏少。同時(shí)也應該看到，國內依然有像珠海英諾賽科和廈門(mén)三安集成這樣的氮化鎵供應商，勇于創(chuàng )新，在努力降低氮化鎵的制造成本，同時(shí)不斷提高氮化鎵的性能。

 

結語(yǔ)

從市場(chǎng)應用來(lái)看，在未來(lái)相當長(cháng)一段時(shí)期內，硅器件仍是市場(chǎng)的主流，而在一些硅材料所不能達到的高性能產(chǎn)品中，碳化硅和氮化鎵可以作為很好的技術(shù)補充。所以硅、碳化硅和氮化鎵的市場(chǎng)會(huì )同時(shí)、同步發(fā)展，不可或缺。雖然氮化鎵在設計和制造工藝上還面臨諸多挑戰，但5G和汽車(chē)市場(chǎng)的需求將驅動(dòng)著(zhù)氮化鎵器件的成本降低，逐漸為市場(chǎng)接受而進(jìn)入大眾化市場(chǎng)。