GaN 将射频应用推向新的阶段

氮化镓 （GaN） 是一种宽带隙半导体，可满足高功率和射频应用日益增长的需求。GaN 的带隙是传统硅的三倍以上，它允许功率器件在比硅更高的温度和电压下工作，而不会破坏或降低其性能和可靠性。此外，其极低的导通电阻使 GaN 能够提供非常高的电流和射频功率密度，在雷达、功率转换器和功率放大器等高功率射频系统中得到应用。

除了可以被视为利基领域的航空航天和国防之外，GaN在电信市场中也占有重要地位，其中高功率密度、开关频率和效率（结合小尺寸）是强制性要求。

恩智浦对 GaN 的关注

恩智浦在氮化镓方面的经验始于大约 20 年前，最初与大学合作，然后变成实验室，随着时间的推移使技术、工艺能力和 IP 趋于成熟。在过去的几年里，恩智浦深度优化了其 GaN 技术，以改善半导体中的电子俘获，提供满足新兴通信市场需求所需的高效率和增益，这是 5G 技术所需的。

“我们的重点是围绕一系列应用领域的射频放大，例如通信基础设施和一些移动应用。NXP Semiconductors 执行副总裁兼无线电功率事业部总经理 Paul Hart 表示：“我们将研发重点放在 GaN 上，因为它具有更高的功率和效率，我们在 SiC 衬底上构建 GaN 是出于热和功率密度的原因。”

Hart 表示，随着通信市场转向 5G，显然是时候投资于 GaN 的制造方面了。恩智浦于 2017 年开始投资，于 2020 年 9 月宣布其位于亚利桑那州钱德勒的 150 毫米（6 英寸）射频 GaN 工厂盛大开业，这是美国最先进的专用于 5G 射频功率放大器的工厂。新的内部工厂将恩智浦的射频功率专业知识与大量制造知识相结合，从而简化了创新，支持在工业、航空航天和国防应用中扩展 5G 基站和先进的通信基础设施。

GaN 和效率

氮化镓的关键应用之一是在基站中，其中基于 GaN 的器件提供射频信号和天线之间的最后一级功率放大。由于其效率、高功率密度和更小的占位面积，GaN 器件允许更多放大器留在同一塔上，从而提高数据吞吐量并减少拥塞。

“首先，在恩智浦，GaN 大约是 5G。它是关于使下一波需要更高功率和更高频率带宽的通信系统获得成功。由于其特性，GaN 是使这些系统成功的正确技术，”Hart 说。

NXP 基于 GaN 的产品专注于 2.6 GHz、3.5 GHz 和更高阶的天线系统、大规模 MIMO 等。通过减少系统中的寄生效应，并在更高频率和更高电压下运行，GaN 提供了一种非常高效的解决方案，在无线电系统中尺寸更小，重量更轻。

碳化硅上的氮化镓

NXP 的 GaN 器件建立在碳化硅衬底上，该衬底具有非常高的热性能，几乎像金刚石一样坚硬。

“我们选择碳化硅作为基板是因为它具有出色的热管理能力。借助 5G，您可以获得更大的功率、密度和效率。放置在蜂窝基站杆上的射频放大器会产生大量热量，而 SiC 上的 GaN 确实带来了我们所需的所有效率和热管理，”恩智浦半导体射频器件工程组总监 Christopher Dragon 说。

正如 Hart 所说，当今 5G 市场的主要区别在于出色的热管理、最小的外形尺寸和最高的效率。如图 2 所示，GaN 将帮助射频集成实现无线电尺寸、重量和成本方面的突破。先进的热管理，结合功率放大器控制和射频系统优化，将实现以下结果：

对讲机尺寸和重量减小，同比减少 20%

降低现场安装成本：安装过程更简单，塔上的可用空间得到优化

由于较低的场地租赁成本和能源成本，降低了运营费用 （OPEX）

图 2：GaN 对 5G 无线电集成的好处

至少在射频应用中，GaN 的一个潜在问题是众所周知的长期记忆效应，这是由于 GaN 高电子迁移率晶体管 （HEMT） 中的电子俘获。由于这种效应很难补偿，恩智浦优化了其 GaN 技术以改善半导体中的电子俘获，从而确保高线性度和低记忆效应。

氮化镓封装

关于功率器件的封装，关键因素在于在热管理和成本之间找到适当的平衡。目前，在通信领域，非常传统的封装用于大功率设备。然而，恩智浦正朝着异构集成的方向发展，将不同的半导体材料和不同的技术放在同一个封装中。这将使设计工程师能够实现功能丰富的环境，同时兼顾氮化镓对高效率和高功率密度的需求。

“我认为，随着频率的不断增加，我们将看到更多关于异构集成的探索，以及它如何与未来的封装本身融合”，Hart 说。

NXP GaN 器件具有耗尽型工作模式，它本质上是封装中的大功率晶体管，在输入和输出上具有匹配的组件。正如 Dragon 所说，“该设备针对任何所需的功率水平量身定制，平衡了成本、封装和散热，并为客户保持了所有功率密度和封装内外的良好匹配”。

恩智浦在GaN中成长

恩智浦在 5G 通信领域取得了长足的发展。凭借其技术创新、领先地位、系统专业知识和大规模制造能力，该公司的 GaN 驱动业务在未来几年将以 15% 的复合年增长率增长，这一速度快于整个 5G 市场。

“随着频率的提高，氮化镓和硅 LDMOS 之间的性能差异会越来越大。LDMOS 将继续成为 2G、3G 和 4G 等传统频率范围内更常见的技术。然而，由于今天的大部分部署频率较高，它将主要基于 GaN，而我们在该领域的产品提供了理想的解决方案，”Hart 说。　　

      审核编辑：彭静