5G带来射频器件难题 GaN对比LDMOS和GaAs优势明显

2018-03-16 11:37

GaN射频器优势突显 trapping效应与功耗问题需解决

既然GaN PA具备能处理 50GHz或以上的毫米波频率的优势，是否意味着LDMOS将被替代？杨嘉对此表示：“与之前的半导体工艺相比，GaN的优势在更高的功率密度及更高的截止频率。在5G高集成的Massive MIMO应用中，它可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。在毫米波应用上，GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。不过LDMOS会在一段时间内与GaN共存的，特别是针对低频应用，如2GHz以下的应用场景，LDMOS还有它存在的市场。” 成钢同样表示：“5G技术涵盖从低频（约几GHz）到高频（毫米波）的范围。目前有两种主流技术能够实现完整5G实施方案所需的高频性能：砷化镓和硅基氮化镓。与砷化镓相比，硅基氮化镓可实现优异的高频性能，主要体现在功率密度更高（因此器件更小）以及效率更高。很显然，在这些尺寸受限的应用中，随着技术不断发展，硅基氮化镓将在高频解决方案领域起主导作用。在低频领域，硅基氮化镓正在与LDMOS竞争，其中硅基氮化镓能够在量产时以同等成本结构提供优异的性能。“

需要指出的是，由于缺乏低成本GaN体衬底，GaN被外延生长在各种基底上，最常见的是碳化硅（SiC）和硅，Qorvo的GaN射频器件目前采用碳化硅基氮化镓（GaN－on－SiC）。杨嘉表示：“相对于硅衬底来说，碳化硅衬底具有更好的热传导特性，这使得在同样大小的封装里，基于碳化硅的GaN放大器可以输出更高的功率，从而使器件具备更好的可靠性。并且在相同输出功率的条件下，碳化硅衬底良好的热传导性可考虑进一步缩小封装尺寸，从而降低器件的整体成本。我个人更看好基于碳化硅的制造工艺，目前业界超过95％商用的GaN RF器件在采用此工艺。Qorvo目前采用的是基于碳化硅衬底的工艺。”

无论是采用GaN－on－Si还是GaN－on－SiC，GaN的优势都能够在5G应用中得到体现，但GaN是否会面临高压特性不理想的问题？杨嘉指出：“GaN工艺射频特性其实降低了功放管内外匹配的设计难度。我司的48V GaN25HV工艺射频特性已远高于常规LDMOS的特性，不存在高压特性的不理想的问题，GaN的工艺上的栅极负压特性，还需在应用中严格遵守上下电时序要求。GaN会存在trapping效应，这是工艺自身特性，需要在应用层面解决。”

除了trapping效应，成钢指出GaN器件的功耗挑战，他表示：“数十年来，MACOM一直致力于设计毫米波器件。采用硅基氮化镓技术不会改变开关或放大器的基本设计方法。就放大器而言，与基于砷化镓的设计相比，硅基氮化镓能够在更高的漏极电压下工作，可简化阻抗匹配过程。面临的挑战是器件的功耗。由于器件具有非常高的功率密度（有利于输出功率），因此还具有较高的功耗密度，为热管理带来了挑战。为了有效地设计，需要完整的电热模型。设计人员必须关注完整的解决方案（包括器件、封装和客户系统），以确保成功实现热管理。”

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