5G的到來將會(huì)給半導(dǎo)體材料帶來革命性的變化，無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(shè)備對(duì)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(dú)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(dǎo)體材料氮化鎵(GaN)

氮化鎵(GaN, Gallium Nitride)是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，硬度很高。氮化鎵的帶隙為3.4 eV，而現(xiàn)今最常用的半導(dǎo)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(duì)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(wěn)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(dǎo)體材料，氮化鎵(GaN)的研究和應(yīng)用已經(jīng)有20多年的歷史，但直到最近幾年才開始凸顯出其商業(yè)化的發(fā)展前景，5G無疑是背后的主要驅(qū)動(dòng)力之一。5G通信的射頻前端有著高頻和高效率的嚴(yán)格要求，這正是氮化鎵(GaN)的用武之地。另外，汽車電動(dòng)化和便攜式電子產(chǎn)品快速而高效的充電需求也將驅(qū)動(dòng)氮化鎵(GaN)功率器件走向大眾市場(chǎng)，逐漸替代傳統(tǒng)的硅功率器件。

 

5G為GaN打開應(yīng)用的“閘門”

5G的到來將會(huì)給半導(dǎo)體材料帶來革命性的變化，無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(shè)備對(duì)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(dú)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(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司Yole Development預(yù)測(cè)，全球GaN RF器件的市場(chǎng)規(guī)模到2024年將超過20億美元，其中無線通信和軍事應(yīng)用占據(jù)絕大部分。

 

圖一：GaN RF器件的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)（來源：Yole Development）

 

氮化鎵(GaN)向來以較高的功率處理能力而著稱，是基站、雷達(dá)和航空電子等無線通信設(shè)備的首選放大器材料，在4G通信系統(tǒng)中也已經(jīng)使用多年。在5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站和手機(jī)終端的數(shù)據(jù)傳輸速率比4G更快，調(diào)制技術(shù)的頻譜利用率更高，這對(duì)RF前端器件和模塊提出了更高的要求。

 

GaN對(duì)比硅基LDMOS和GaAs

在射頻前端應(yīng)用中，硅基LDMOS器件和砷化鎵(GaAs)仍是主流器件，氮化鎵(GaN)相對(duì)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(rèn)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(yīng)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(jí)放大疊加才能達(dá)到功率指標(biāo)，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(shù)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(rèn)為，氮化鎵具有更高的輸出功率性能，特別適合長(zhǎng)距離通信的大功率應(yīng)用。（此處插入頭像及人物簡(jiǎn)介：AMCOM通信公司CTO Ho. Huang，美國(guó)IEEE 會(huì)員）

 

意法半導(dǎo)體(ST)新材料和電源方案事業(yè)部的創(chuàng)新和關(guān)鍵項(xiàng)目戰(zhàn)略營(yíng)銷總監(jiān)Filippo Di Giovanni表示，在現(xiàn)今的射頻前端電路中，GaAs仍然是高頻小信號(hào)器件的選擇基準(zhǔn)，因?yàn)檫@種應(yīng)用需要低噪聲系數(shù)。在這些應(yīng)用中，GaAs取代了LDMOS器件，基于GaAs的MMIC芯片集成開關(guān)和放大器已經(jīng)廣泛用于智能手機(jī)和平板電腦等電池供電的便攜式設(shè)備。對(duì)于給定的輸出功率，雖然GaAs放大器的線性和失真度通常優(yōu)于GaN放大器，但可以通過數(shù)字預(yù)失真技術(shù)幫助GaN在高頻下實(shí)現(xiàn)線性化。他預(yù)測(cè)，隨著GaN技術(shù)向更小的工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)，在達(dá)到0.15um柵長(zhǎng)時(shí)，GaN將挑戰(zhàn)GaAs器件在便攜式無線應(yīng)用中的主導(dǎo)地位。

 

 

圖二：氮化鎵(GaN)在通信基站中的應(yīng)用趨勢(shì)（來源：Yole Development）

 

相對(duì)于砷化鎵和硅基LDMOS，氮化鎵的成本依然過高，特別是在RF應(yīng)用中多以碳化硅(SiC)為襯底的情況下。砷化鎵和硅基LDMOS現(xiàn)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(zhǎng)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(shì)阻礙了它的快速發(fā)展，但其發(fā)展前景仍然樂觀。現(xiàn)在業(yè)界一些公司，包括國(guó)外的Macom和國(guó)內(nèi)的英諾賽科，正在將低成本的GaN-on-Si應(yīng)用在RF器件上，隨著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(xiàn)階段5G行業(yè)仍然需要傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體和新興第三代半導(dǎo)體的相互補(bǔ)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(tǒng)來處理額外的熱量。雖然提高能效和減少散熱量一直是無線通信行業(yè)的要求，但對(duì)于2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)并非是當(dāng)務(wù)之急。對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)就完全不同了，運(yùn)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(hào)的峰值平均功率比（PAPR）更高。然而，隨著PAPR的增大，PA的效率就會(huì)降低。

 

在以前的2G系統(tǒng)中，調(diào)制方案僅針對(duì)工作頻率和相位，但沒有在幅度里載入任何信息，換句話說，包絡(luò)是恒定的。3G、4G和5G技術(shù)則采用不同的調(diào)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(hào)之間的差異非常大，致使恒壓供電的線性功放（LPA）無法實(shí)現(xiàn)高能效。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，包絡(luò)跟蹤（ET）技術(shù)就被引入進(jìn)來了。

據(jù)宜普公司(EPC)創(chuàng)始人兼CEO Alex Lidow介紹，使PA獨(dú)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(yīng)低電壓。利用eGaN FET來實(shí)現(xiàn)包絡(luò)跟蹤以便保持通信系統(tǒng)的PA效率已經(jīng)超過5年了。
 

 

圖三：包絡(luò)跟蹤技術(shù)提高能效的示意圖（來源：EPC）

 

包絡(luò)跟蹤技術(shù)通過調(diào)制線性功放(LPA)的電源電壓，跟蹤射頻信號(hào)的包絡(luò)，從而提高漏極能效(DE)。這將考驗(yàn)包絡(luò)跟蹤的電源性能，因?yàn)镻APR比值和包絡(luò)信號(hào)帶寬變大了。為了提高能效，需要用開關(guān)式轉(zhuǎn)換器代替線性轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率非常高，因?yàn)樗櫟臒o失真包絡(luò)信號(hào)的帶寬非常寬。例如，對(duì)于20 MHz(4G網(wǎng)絡(luò))的帶寬，轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率就要達(dá)到200 MHz。5G的包絡(luò)帶寬高達(dá)100MHz，轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率要求更高。

 

當(dāng)開關(guān)頻率非常高時(shí)，傳統(tǒng)硅基功率開關(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(yīng)用。ST的Giovanni認(rèn)為，受到5G青睞的包絡(luò)跟蹤技術(shù)將為GaN開啟快速發(fā)展之門。

 

氮化鎵在電源管理上的性能優(yōu)勢(shì)

氮化鎵是一種寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)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(yùn)行。在電源管理應(yīng)用上，氮化鎵的優(yōu)勢(shì)包括：

1. 傳導(dǎo)損耗小，能效高。氮化鎵晶體管的導(dǎo)通電阻(Rds,on)是傳統(tǒng)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)意味著低發(fā)熱，從而可以有效地簡(jiǎn)化散熱器件和熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2. 氮化鎵晶體管內(nèi)不含體二極管，沒有反向恢復(fù)損耗。

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

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

5. 氮化鎵器件的功率密度很大，能夠達(dá)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(qū)高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理陳清源對(duì)同為第三代半導(dǎo)體材料的氮化鎵(GaN)和碳化硅的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，二者都具有快速開關(guān)性能，有助于提高效率，但是氮化鎵比硅的損耗低。在應(yīng)用場(chǎng)景下進(jìn)一步對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在高功率和更高壓應(yīng)用場(chǎng)景下，碳化硅體現(xiàn)出很好的成熟度和性價(jià)比；而在100V至600V的低中壓應(yīng)用中，氮化鎵就能夠發(fā)揮出更高的性價(jià)比。就結(jié)構(gòu)來看，GaN是橫向結(jié)構(gòu)(比如JFET)，很難達(dá)到SiC MOSFET(垂直結(jié)構(gòu))的高電壓能力。

 

 

GaN對(duì)于本征是常關(guān)的開關(guān)更具吸引力，它代表著迄今所用的全部硅晶體管的后續(xù)技術(shù)。此外，從整體系統(tǒng)的角度考慮，氮化鎵的優(yōu)勢(shì)在于能夠使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(qiáng)模式高電子遷移率晶體管(E-HEMT)，非常適合高壓下運(yùn)行更高頻率的開關(guān)，可以做到設(shè)計(jì)輕薄、功率密度進(jìn)一步提高，從而使轉(zhuǎn)換效率有更大的提升，降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

 

安森美半導(dǎo)體戰(zhàn)略營(yíng)銷總監(jiān)Yong Ang進(jìn)一步解釋說，GaN器件相比硅器件的寄生電容低，因而可以降低門極電荷Qg相關(guān)的開關(guān)損耗，使開關(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?yàn)闆]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(dǎo)電流，但沒有反向恢復(fù)電荷QRR，非常適合硬開關(guān)應(yīng)用。由于GaN對(duì)過電壓的敏感性和相對(duì)于硅非常有限的雪崩能力，特別適合半橋拓?fù)?，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關(guān)圖騰柱PFC等零電壓開關(guān)(ZVS)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中具有很大的吸引力。

 

氮化鎵(GaN)功率器件的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力

根據(jù)IHS市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告預(yù)測(cè)，GaN功率器件的市場(chǎng)增長(zhǎng)快速，每年CAGR超過30% ，預(yù)計(jì)到2027市場(chǎng)規(guī)模將超過10 億美元。除5G通信市場(chǎng)外，汽車和工業(yè)市場(chǎng)也是氮化鎵(GaN)功率器件的主要驅(qū)動(dòng)力。即便在價(jià)格敏感的消費(fèi)電子市場(chǎng)，氮化鎵(GaN)也帶來了一股清新力量。比如低功率的快充充電頭，已經(jīng)有多家廠商成功地將實(shí)驗(yàn)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?yàn)椴捎昧藖碜訮ower Integration的GaN芯片PI SC1933C，其體積比蘋果官方20W充電器縮小了40%。

 

圖四：采用GaN器件的充電器體積比傳統(tǒng)硅器件充電器縮小40%（來源：Anker）
 

而最近面市的Anker PowerCore Fusion PD超級(jí)充則采用了納微半導(dǎo)體(Navitas)的NV6115和NV6117 GaNFast功率芯片。據(jù)納微半導(dǎo)體公司FAE和技術(shù)市場(chǎng)總監(jiān)黃萬年介紹，GaN器件相對(duì)硅器件可以將開關(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(duì)于同樣大小的手機(jī)充電器， 相對(duì)傳統(tǒng)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(duì)于大功率無線充電的應(yīng)用，氮化鎵的高頻特性也可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率。

 

 

 

現(xiàn)在大部分智能手機(jī)的無線充電都是采用無線充電聯(lián)盟(WPC)的Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)，但其充電速度慢，而且要求發(fā)射端和接收端要精確對(duì)齊，因此用戶體驗(yàn)不是很好。磁共振是一種可以解決這些問題的解決方案，基于這一原理的Airfuel標(biāo)準(zhǔn)可以更快的速度為手機(jī)、平板、可穿戴設(shè)備及筆記本電腦等電子設(shè)備充電。這種無線充電標(biāo)準(zhǔn)采用6.78 MHz頻率，這對(duì)硅基MOSFET器件是個(gè)挑戰(zhàn)。宜普公司(EPC)的Alex Lidow認(rèn)為eGaN FET器件和芯片可以更好地應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，讓系統(tǒng)效率達(dá)到有線充電方案的水平。硅基MOSFET器件的實(shí)際充電效率只有60-70%，而eGaN器件可以達(dá)到80-9%。

 

氮化鎵(GaN)在設(shè)計(jì)和制造工藝上的技術(shù)挑戰(zhàn)

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

 

在制造方面，因?yàn)榈壓鸵r底材料Si的晶格匹配度差，生長(zhǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)崩塌而導(dǎo)致良品率低。在設(shè)計(jì)方面，氮化鎵晶體管(增強(qiáng)型氮化鎵)的柵極需要驅(qū)動(dòng)才能做到正常的開關(guān)，而氮化鎵的柵極電壓閾值和最大電壓都很小，所以非常容易誤開啟，在設(shè)計(jì)上有非常大的難度。

 

英飛凌的陳清源認(rèn)為，GaN器件所面臨的主要挑戰(zhàn)是可靠性、成本以及驅(qū)動(dòng)等問題。氮化鎵是常開型器件，難以被客戶所應(yīng)用和接受，因?yàn)橛脩粢呀?jīng)習(xí)慣于硅器件的常閉型設(shè)計(jì)理念。為了解決這一設(shè)計(jì)問題，英飛凌在技術(shù)細(xì)節(jié)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(dǎo)通電阻Rds(on)是業(yè)界所面臨的棘手問題，原因是很多電子在開關(guān)的時(shí)候被漏級(jí)的電子陷在里面不流通。英飛凌通過引入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(qū)動(dòng)也要考慮一些特殊性。首先，氮化鎵一定要有一個(gè)穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)通電流來保持它的開通，然后需要負(fù)脈沖來關(guān)斷，這就對(duì)電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)造成了極大的挑戰(zhàn)。并非所有的設(shè)計(jì)公司都有很好的研發(fā)能力來驅(qū)動(dòng)氮化鎵器件，如果驅(qū)動(dòng)不好，它的優(yōu)勢(shì)就不能最大化。

 

國(guó)內(nèi)廠商在氮化鎵(GaN)市場(chǎng)的機(jī)會(huì)

目前，氮化鎵增長(zhǎng)最快的要數(shù)快充市場(chǎng)。隨著手機(jī)電池容量的不斷增加，大功率的快充變得越來越重要，而傳統(tǒng)硅材料受限于體積以及功率密度的極限無法滿足市場(chǎng)需要，氮化鎵通過自身的優(yōu)勢(shì)迅速吸引了市場(chǎng)。但是，目前中國(guó)氮化鎵功率應(yīng)用市場(chǎng)還處于起步階段，市場(chǎng)對(duì)于氮化鎵的認(rèn)識(shí)還不夠，并且氮化鎵自身的成本還太高。但隨著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，以及新能源汽車車載充電(OBC)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)和國(guó)際廠商都將目光瞄準(zhǔn)了這些市場(chǎng)。隨著汽車的電動(dòng)化，GaN在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景特別值得期待。中國(guó)是世界上最大的電動(dòng)汽車市場(chǎng)之一，這也將促進(jìn)GaN器件在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用發(fā)展。

 

羅鵬博士認(rèn)為，目前國(guó)內(nèi)氮化鎵供應(yīng)商并不多，有很多公司是將建立氮化鎵工藝線作為宣傳噓頭，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)線技術(shù)門檻和生產(chǎn)成本過高，而且氮化鎵市場(chǎng)目前并不成熟，應(yīng)用設(shè)計(jì)公司依然偏少。同時(shí)也應(yīng)該看到，國(guó)內(nèi)依然有像珠海英諾賽科和廈門三安集成這樣的氮化鎵供應(yīng)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(jié)語

從市場(chǎng)應(yīng)用來看，在未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，硅器件仍是市場(chǎng)的主流，而在一些硅材料所不能達(dá)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(bǔ)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(shè)計(jì)和制造工藝上還面臨諸多挑戰(zhàn)，但5G和汽車市場(chǎng)的需求將驅(qū)動(dòng)著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)。