【導讀】5G的到來將會給半導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技術的核心器件。
5G的到來將會給半導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(xiàn)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(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動力之一。5G通信的射頻前端有著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，汽車電動化和便攜式電子產(chǎn)品快速而高效的充電需求也將驅動氮化鎵(GaN)功率器件走向大眾市場，逐漸替代傳統(tǒng)的硅功率器件。
5G為GaN打開應用的“閘門”
5G的到來將會給半導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技術的核心器件。
據(jù)市場調研公司Yole Development預測，全球GaN RF器件的市場規(guī)模到2024年將超過20億美元，其中無線通信和軍事應用占據(jù)絕大部分。
圖一：GaN RF器件的市場規(guī)模預測（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、雷達和航空電子等無線通信設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移動通信系統(tǒng)中，基站和手機終端的數(shù)據(jù)傳輸速率比4G更快，調制技術的頻譜利用率更高，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)點和缺點呢？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(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認為，氮化鎵具有更高的輸出功率性能，特別適合長距離通信的大功率應用。（此處插入頭像及人物簡介：AMCOM通信公司CTO Ho. Huang，美國IEEE 會員）
意法半導體(ST)新材料和電源方案事業(yè)部的創(chuàng)新和關鍵項目戰(zhàn)略營銷總監(jiān)Filippo Di Giovanni表示，在現(xiàn)今的射頻前端電路中，GaAs仍然是高頻小信號器件的選擇基準，因為這種應用需要低噪聲系數(shù)。在這些應用中，GaAs取代了LDMOS器件，基于GaAs的MMIC芯片集成開關和放大器已經(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放大器的線性和失真度通常優(yōu)于GaN放大器，但可以通過數(shù)字預失真技術幫助GaN在高頻下實現(xiàn)線性化。他預測，隨著GaN技術向更小的工藝節(jié)點演進，在達到0.15um柵長時，GaN將挑戰(zhàn)GaAs器件在便攜式無線應用中的主導地位。
圖二：氮化鎵(GaN)在通信基站中的應用趨勢（來源：Yole Development）
相對于砷化鎵和硅基LDMOS，氮化鎵的成本依然過高，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(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)展前景仍然樂觀。現(xiàn)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)硅基半導體和新興第三代半導體的相互補充和共存發(fā)展。
包絡跟蹤技術需要GaN支持
在一個典型的基站中，50％的電能是功率放大器（PA）消耗掉的，同時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，但對于2G/3G/4G網(wǎng)絡并非是當務之急。對于5G網(wǎng)絡就完全不同了，運營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PAPR的增大，PA的效率就會降低。
在以前的2G系統(tǒng)中，調制方案僅針對工作頻率和相位，但沒有在幅度里載入任何信息，換句話說，包絡是恒定的。3G、4G和5G技術則采用不同的調制方法，包絡不再是恒定的。實際上，電源電壓和RF輸出信號之間的差異非常大，致使恒壓供電的線性功放（LPA）無法實現(xiàn)高能效。為應對這一挑戰(zhàn)，包絡跟蹤（ET）技術就被引入進來了。
據(jù)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需要時才為其供電，即在峰值時提供高電壓，而在谷值時供應低電壓。利用eGaN FET來實現(xiàn)包絡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：包絡跟蹤技術提高能效的示意圖（來源：EPC）
包絡跟蹤技術通過調制線性功放(LPA)的電源電壓，跟蹤射頻信號的包絡，從而提高漏極能效(DE)。這將考驗包絡跟蹤的電源性能，因為PAPR比值和包絡信號帶寬變大了。為了提高能效，需要用開關式轉換器代替線性轉換器。這些轉換器的開關頻率非常高，因為所跟蹤的無失真包絡信號的帶寬非常寬。例如，對于20 MHz(4G網(wǎng)絡)的帶寬，轉換器的開關頻率就要達到200 MHz。5G的包絡帶寬高達100MHz，轉換器的開關頻率要求更高。
當開關頻率非常高時，傳統(tǒng)硅基功率開關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青睞的包絡跟蹤技術將為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
氮化鎵是一種寬禁帶(WBG)半導體材料，與傳統(tǒng)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(tǒng)硅器件的一半，在相同輸出電流下?lián)p耗更小，能效更高。低損耗同時意味著低發(fā)熱，從而可以有效地簡化散熱器件和熱管理系統(tǒng)設計。
2. 氮化鎵晶體管內不含體二極管，沒有反向恢復損耗。
3. 氮化鎵晶體管的輸入電荷非常小，幾乎沒有柵極驅動損耗。
4. 氮化鎵功率器件可以支持更高的開關頻率(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，能夠達到硅基LDMOS的四倍以上，在減小體積的同時可以增大輸出功率。
英飛凌電源管理及多元化市場事業(yè)部大中華區(qū)高級市場經(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)缺點進行了對比，二者都具有快速開關性能，有助于提高效率，但是氮化鎵比硅的損耗低。在應用場景下進一步對比可以發(fā)現(xiàn)，在高功率和更高壓應用場景下，碳化硅體現(xiàn)出很好的成熟度和性價比；而在100V至600V的低中壓應用中，氮化鎵就能夠發(fā)揮出更高的性價比。就結構來看，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對于本征是常關的開關更具吸引力，它代表著迄今所用的全部硅晶體管的后續(xù)技術。此外，從整體系統(tǒng)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關，可以做到設計輕薄、功率密度進一步提高，從而使轉換效率有更大的提升，降低整個系統(tǒng)的成本。
安森美半導體戰(zhàn)略營銷總監(jiān)Yong Ang進一步解釋說，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相關的開關損耗，使開關頻率提高到幾百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，但沒有反向恢復電荷QRR，非常適合硬開關應用。由于GaN對過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關圖騰柱PFC等零電壓開關(ZVS)拓撲結構中具有很大的吸引力。
氮化鎵(GaN)功率器件的市場驅動力
根據(jù)IHS市場調研報告預測，GaN功率器件的市場增長快速，每年CAGR超過30% ，預計到2027市場規(guī)模將超過10 億美元。除5G通信市場外，汽車和工業(yè)市場也是氮化鎵(GaN)功率器件的主要驅動力。即便在價格敏感的消費電子市場，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驗室中的氮化鎵產(chǎn)品投放到市場，其中包括Anker的30W GaN充電器，因為采用了來自Power 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超級充則采用了納微半導體(Navitas)的NV6115和NV6117 GaNFast功率芯片。據(jù)納微半導體公司FAE和技術市場總監(jiān)黃萬年介紹，GaN器件相對硅器件可以將開關頻率提高10倍，大大縮小被動元件的體積，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(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。對于大功率無線充電的應用，氮化鎵的高頻特性也可以進一步提升系統(tǒng)效率。
現(xiàn)在大部分智能手機的無線充電都是采用無線充電聯(lián)盟(WPC)的Qi無線充電標準，但其充電速度慢，而且要求發(fā)射端和接收端要精確對齊，因此用戶體驗不是很好。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。這種無線充電標準采用6.78 MHz頻率，這對硅基MOSFET器件是個挑戰(zhàn)。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(zhàn)，讓系統(tǒng)效率達到有線充電方案的水平。硅基MOSFET器件的實際充電效率只有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上更復雜，并且外延層對器件的動靜態(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動器、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，生長時會出現(xiàn)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)的柵極需要驅動才能做到正常的開關，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(zhàn)是可靠性、成本以及驅動等問題。氮化鎵是常開型器件，難以被客戶所應用和接受，因為用戶已經(jīng)習慣于硅器件的常閉型設計理念。為了解決這一設計問題，英飛凌在技術細節(jié)和工藝上做了一些改進，在柵極加了P-，做出了市場比較容易接受的常閉型器件。另一方面，氮化鎵的動態(tài)導通電阻Rds(on)是業(yè)界所面臨的棘手問題，原因是很多電子在開關的時候被漏級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技術難題。
另外，氮化鎵功率器件的驅動也要考慮一些特殊性。首先，氮化鎵一定要有一個穩(wěn)態(tài)的導通電流來保持它的開通，然后需要負脈沖來關斷，這就對電源驅動設計造成了極大的挑戰(zhàn)。并非所有的設計公司都有很好的研發(fā)能力來驅動氮化鎵器件，如果驅動不好，它的優(yōu)勢就不能最大化。
國內廠商在氮化鎵(GaN)市場的機會
目前，氮化鎵增長最快的要數(shù)快充市場。隨著手機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需要，氮化鎵通過自身的優(yōu)勢迅速吸引了市場。但是，目前中國氮化鎵功率應用市場還處于起步階段，市場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，氮化鎵在大功率市場的需求也非常巨大，尤其在5G基站供電模塊，以及新能源汽車車載充電(OBC)領域，國內和國際廠商都將目光瞄準了這些市場。隨著汽車的電動化，GaN在汽車領域的應用前景特別值得期待。中國是世界上最大的電動汽車市場之一，這也將促進GaN器件在中國市場的應用發(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)線技術門檻和生產(chǎn)成本過高，而且氮化鎵市場目前并不成熟，應用設計公司依然偏少。同時也應該看到，國內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商，勇于創(chuàng)新，在努力降低氮化鎵的制造成本，同時不斷提高氮化鎵的性能。
結語
從市場應用來看，在未來相當長一段時期內，硅器件仍是市場的主流，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補充。所以硅、碳化硅和氮化鎵的市場會同時、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(zhàn)，但5G和汽車市場的需求將驅動著氮化鎵器件的成本降低，逐漸為市場接受而進入大眾化市場。
