氮化镓在毫米波应用中占有一席之地

了解 5G NR 新无线电

早在 1980 年代，俗话说毫米波长的使用“指日可待，而且永远都是”。可以说，就在几年前，你仍然可以提出这个论点。除了Ka波段卫星通信，车辆高级驾驶辅助系统（ADAS）以及一些国防和科学应用外，“那里”并没有发生太多事情。但是，当毫米波频率被纳入5G新无线电（NR）的标准时，情况发生了迅速变化，这在非常短的时间内开始了连续不断的显着成就。

片上射频系统

例如，多家半导体制造商开发了片上系统 （SoC），其中包括整个射频 （RF） 信号链和有源相控阵天线，该天线在微型封装中集成了数十个元件。硅锗（SiGe），双极互补金属氧化物半导体（BiCMOS），绝缘体上硅（SoI）甚至磷化铟（InP）都在这些设备上投入使用，那么GaN在哪里适合这个图景？

这个问题的答案是，GaN可以为毫米波系统提供与较低频率和相同原因的好处。GaN 在 2000 年代中期风靡全球，因为它的功率密度、效率和承受高击穿电压的能力优于硅或氮化镓 （GaAs）。

功率应用中的氮化镓

首先以分立形式出现，然后作为单片微波集成电路（MMIC），碳化硅氮化镓（SiC）已成为许多商业和国防应用的“首选”技术。所有这些优势对于毫米波长的GaN仍然有效，尽管实现高功率水平并不像在较低频率下那么重要，因为相控阵可以达到增益，并且可以通过非常小的相控阵在窄波束中引导，它们可以由许多天线元件组成。

GaN的主要优点之一是其功率密度（每单位芯片尺寸可以产生的功率量），明显高于同类产品。硅器件的功率密度为0.2 W/mm，GaAs达到约1 W/mm，而GaN的（理论）功率密度超过30 W/mm，SiC（用作GaN器件的衬底材料）为10 W/mm。尽管碳化硅基氮化镓器件在达到30 W/mm之前还有很长的路要走，但目前最先进的碳化硅基氮化镓器件至少达到了11 W/mm。这可能是一个低估，因为出于显而易见的原因，制造商将这个指标放在胸前。也就是说，虽然实现巨大的功率密度非常令人印象深刻，但它也会产生同样巨大的热量，这些热量必须从芯片开始迅速分散，并延伸到基板和向外延伸。

为什么GaN的宽带隙如此重要？

为了使GaN器件能够在其结温区内“舒适”地工作并确保长期可靠性，放大器设计人员必须在可实现的目标与商业上可行的目标之间进行权衡。对于当今的大多数系统，最先进的热管理技术将其限制在约5至7 W/mm2，尽管使用先进（和更昂贵）的基板材料（如金刚石基板和铝-金刚石基体复合散热器）可以在一定程度上增加这一比例。

虽然其他竞争者可以在Ka波段实现几瓦的RF输出功率，但GaN的高功率密度可以在更高的频率下以较小的尺寸提供10倍的功率。例如，GaN MMIC已经证明它们能够在47至90 GHz范围内产生超过140 mW的功率。

因此，GaN MMIC被用于取代行波管放大器（TWTA）也就不足为奇了，直到最近，行波管放大器是唯一在毫米波长下产生可观的RF功率的设备。与GaAs赝态高电子迁移率晶体管（pHEMT）相比，它们的功率密度使GaN MMIC能够减少80%以上的材料需求，因此由于在MMIC和模块级别降低了片上组合损耗，因此它们可以提供更高的效率。

例如，雷神公司前段时间表示，与砷化镓MMIC相比，有源电子扫描阵列（AESA）搜索雷达可以在相同的时间内实现五倍的搜索量，使用更小50%的天线阵列尺寸，以相同的灵敏度实现50%的范围。

GaN的大部分实力来自于它是一种宽带隙（WBG）材料。WBG器件可以消除目前在AC-DC和DC-AC电力转换过程中发生的高达90%的功率损耗，工作电压比硅基器件高10倍，工作温度高于300°C。

为了更好地理解这些特征，我们需要深入研究物理学。基本上，固体中的电子存在于结合形成能带的能级上。顶部的带称为导带，下一个较低的带称为价带。价带和导带之间的区域是带隙。

氮化镓中的极化电荷

在WBG材料中，当价带中的电子被外部激发足够多时，它们可以向上移动到导带。导体（例如铜）没有带隙，因为两个能带重叠。绝缘材料的间隙非常宽，以至于需要太多的能量来桥接它。但是半导体更接近导体（因此称为“半导体”），并允许一定量的能量在价带和导带之间交叉。

该能量的量决定了半导体在带隙层次结构中的位置。参考材料通常是硅，因为它的带隙为1.1电子伏特（eV）或砷化镓（1.4eV）。相比之下，GaN的带隙为3.4 eV，当与具有3 eV带隙能量的SiC衬底结合使用时，GaN可以实现更高的击穿和工作电压。

了解氮化镓技术

尽管今天GaN的好处是在较低频率上实现的，但它们在毫米波频率上的使用正在快速增长，特别是对于在较高频率下出现威胁的防御系统，需要比低地球轨道对应物更高的有效辐射功率的地球同步卫星以及5 GHz及以上的60G网络，其中中继器的使用正在减少覆盖给定区域所需的小型蜂窝数量。随着无线行业进入第六代，GaN将发挥更大的作用，因为工作频率增加到远远超过100 GHz，在GaN的最大截止频率范围内。

审核编辑：郭婷