氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙半導體,，可滿足高功率和射頻應用日益增長的需求。GaN 的帶隙是傳統(tǒng)硅的三倍以上,，它允許功率器件在比硅更高的溫度和電壓下工作,，而不會破壞或降低其性能和可靠性,。此外，其極低的導通電阻使 GaN 能夠提供非常高的電流和射頻功率密度,，在雷達,、功率轉(zhuǎn)換器和功率放大器等高功率射頻系統(tǒng)中得到應用。

除了可以被視為利基領域的航空航天和國防之外，GaN在電信市場中也占有重要地位,，其中高功率密度,、開關頻率和效率(結合小尺寸)是強制性要求。

恩智浦對 GaN 的關注

恩智浦在氮化鎵方面的經(jīng)驗始于大約 20 年前,，最初與大學合作,，然后變成實驗室，隨著時間的推移使技術,、工藝能力和 IP 趨于成熟,。在過去的幾年里，恩智浦深度優(yōu)化了其 GaN 技術,，以改善半導體中的電子俘獲,，提供滿足新興通信市場需求所需的高效率和增益，這是 5G 技術所需的,。

“我們的重點是圍繞一系列應用領域的射頻放大,，例如通信基礎設施和一些移動應用。NXP Semiconductors 執(zhí)行副總裁兼無線電功率事業(yè)部總經(jīng)理 Paul Hart 說：“我們將研發(fā)重點放在 GaN 上,，因為它具有更高的功率和效率,，我們在 SiC 襯底上構建 GaN 是出于熱和功率密度的原因?！?/p>

Hart 表示,，隨著通信市場轉(zhuǎn)向 5G，顯然是時候投資于 GaN 的制造方面了,。恩智浦于 2017 年開始投資,，于 2020 年 9 月宣布其位于亞利桑那州錢德勒的 150 毫米(6 英寸)射頻 GaN 工廠盛大開業(yè)，這是美國最先進的專用于 5G 射頻功率放大器的工廠,。新的內(nèi)部工廠將恩智浦的射頻功率專業(yè)知識與大量制造知識相結合,，從而簡化了創(chuàng)新，支持在工業(yè),、航空航天和國防應用中擴展 5G 基站和先進的通信基礎設施,。

GaN 和效率

氮化鎵的關鍵應用之一是在基站中，其中基于 GaN 的器件提供射頻信號和天線之間的最后一級功率放大,。由于其效率,、高功率密度和更小的占位面積，GaN 器件允許更多放大器留在同一塔上,，從而提高數(shù)據(jù)吞吐量并減少擁塞,。

“首先，在恩智浦,，GaN 大約是 5G,。它是關于使下一波需要更高功率和更高頻率帶寬的通信系統(tǒng)獲得成功,。由于其特性，GaN 是使這些系統(tǒng)成功的正確技術,，”Hart 說,。

NXP 基于 GaN 的產(chǎn)品專注于 2.6 GHz、3.5 GHz 和更高階的天線系統(tǒng),、大規(guī)模 MIMO 等,。通過減少系統(tǒng)中的寄生效應，并在更高頻率和更高電壓下運行,，GaN 提供了一種非常高效的解決方案,，在無線電系統(tǒng)中尺寸更小，重量更輕,。

碳化硅上的氮化鎵

NXP 的 GaN 器件建立在碳化硅襯底上,，該襯底具有非常高的熱性能，幾乎像金剛石一樣堅硬,。

“我們選擇碳化硅作為基板是因為它具有出色的熱管理能力,。借助 5G，您可以獲得更大的功率,、密度和效率,。安裝在蜂窩基站桿上的射頻放大器會產(chǎn)生大量熱量，而 SiC 上的 GaN 確實帶來了我們所需的所有效率和熱管理,，”恩智浦半導體射頻器件工程組總監(jiān) Christopher Dragon 說,。

正如 Hart 所說，當今 5G 市場的主要區(qū)別在于出色的熱管理,、最小的外形尺寸和最高的效率,。如圖 2 所示，GaN 將幫助射頻集成實現(xiàn)無線電尺寸,、重量和成本方面的突破,。先進的熱管理，結合功率放大器控制和射頻系統(tǒng)優(yōu)化,，將實現(xiàn)以下結果：

· 對講機尺寸和重量減小,，同比減少 20%

· 降低現(xiàn)場安裝成本：安裝過程更簡單，塔上的可用空間得到優(yōu)化

· 由于較低的場地租賃成本和能源成本,，降低了運營費用 (OPEX)

至少在射頻應用中，GaN 的一個潛在問題是眾所周知的長期記憶效應,，這是由于 GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 中的電子俘獲,。由于這種效應很難補償，恩智浦優(yōu)化了其 GaN 技術以改善半導體中的電子俘獲,，從而確保高線性度和低記憶效應,。

氮化鎵封裝

關于功率器件的封裝,，關鍵因素在于在熱管理和成本之間找到適當?shù)钠胶狻Ｄ壳?，在通信領域,，非常傳統(tǒng)的封裝用于大功率設備。然而,，恩智浦正朝著異構集成的方向發(fā)展,，將不同的半導體材料和不同的技術放在同一個封裝中。這將使設計工程師能夠?qū)崿F(xiàn)功能豐富的環(huán)境,，同時兼顧氮化鎵對高效率和高功率密度的需求,。

“我認為，隨著頻率的不斷增加,，我們將看到更多關于異構集成的探索,，以及它如何與未來的封裝本身融合”，Hart 說,。

NXP GaN 器件具有耗盡型工作模式,，它本質(zhì)上是封裝中的大功率晶體管，在輸入和輸出上具有匹配的組件,。正如 Dragon 所說,，“該設備針對任何所需的功率水平量身定制，平衡了成本,、封裝和散熱,，并為客戶保持了所有功率密度和封裝內(nèi)外的良好匹配”。

恩智浦在GaN中成長

恩智浦在 5G 通信領域取得了長足的發(fā)展,。憑借其技術創(chuàng)新,、領先地位、系統(tǒng)專業(yè)知識和大規(guī)模制造能力,，該公司的 GaN 驅(qū)動業(yè)務在未來幾年將以 15% 的復合年增長率增長,，這一速度快于整個 5G 市場。

“隨著頻率的提高,，氮化鎵和硅 LDMOS 之間的性能差異會越來越大,。LDMOS 將繼續(xù)成為 2G、3G 和 4G 等傳統(tǒng)頻率范圍內(nèi)更常見的技術,。然而,，由于今天的大部分部署頻率較高，它將主要基于 GaN,，而我們在該領域的產(chǎn)品提供了理想的解決方案,，”Hart 說。