氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙半導體，可滿足高功率和射頻應用日益增長的需求。GaN 的帶隙是傳統硅的三倍以上，它允許功率器件在比硅更高的溫度和電壓下工作，而不會破壞或降低其性能和可靠性。此外，其極低的導通電阻使 GaN 能夠提供非常高的電流和射頻功率密度，在雷達、功率轉換器和功率放大器等高功率射頻系統中得到應用。
除了可以被視為利基領域的航空航天和國防之外，GaN在電信市場中也占有重要地位，其中高功率密度、開關頻率和效率(結合小尺寸)是強制性要求。
恩智浦對 GaN 的關注
恩智浦在氮化鎵方面的經驗始于大約 20 年前，最初與大學合作，然后變成實驗室，隨著時間的推移使技術、工藝能力和 IP 趨于成熟。在過去的幾年里，恩智浦深度優化了其 GaN 技術，以改善半導體中的電子俘獲，提供滿足新興通信市場需求所需的高效率和增益，這是 5G 技術所需的。
“我們的重點是圍繞一系列應用領域的射頻放大，例如通信基礎設施和一些移動應用。NXP Semiconductors 執行副總裁兼無線電功率事業部總經理 Paul Hart 說：“我們將研發重點放在 GaN 上，因為它具有更高的功率和效率，我們在 SiC 襯底上構建 GaN 是出于熱和功率密度的原因。”
Hart 表示，隨著通信市場轉向 5G，顯然是時候投資于 GaN 的制造方面了。恩智浦于 2017 年開始投資，于 2020 年 9 月宣布其位于亞利桑那州錢德勒的 150 毫米(6 英寸)射頻 GaN 工廠盛大開業，這是美國最先進的專用于 5G 射頻功率放大器的工廠。新的內部工廠將恩智浦的射頻功率專業知識與大量制造知識相結合，從而簡化了創新，支持在工業、航空航天和國防應用中擴展 5G 基站和先進的通信基礎設施。
GaN 和效率
氮化鎵的關鍵應用之一是在基站中，其中基于 GaN 的器件提供射頻信號和天線之間的最后一級功率放大。由于其效率、高功率密度和更小的占位面積，GaN 器件允許更多放大器留在同一塔上，從而提高數據吞吐量并減少擁塞。
“首先，在恩智浦，GaN 大約是 5G。它是關于使下一波需要更高功率和更高頻率帶寬的通信系統獲得成功。由于其特性，GaN 是使這些系統成功的正確技術，”Hart 說。
NXP 基于 GaN 的產品專注于 2.6 GHz、3.5 GHz 和更高階的天線系統、大規模 MIMO 等。通過減少系統中的寄生效應，并在更高頻率和更高電壓下運行，GaN 提供了一種非常高效的解決方案，在無線電系統中尺寸更小，重量更輕。
碳化硅上的氮化鎵
NXP 的 GaN 器件建立在碳化硅襯底上，該襯底具有非常高的熱性能，幾乎像金剛石一樣堅硬。
“我們選擇碳化硅作為基板是因為它具有出色的熱管理能力。借助 5G，您可以獲得更大的功率、密度和效率。安裝在蜂窩基站桿上的射頻放大器會產生大量熱量，而 SiC 上的 GaN 確實帶來了我們所需的所有效率和熱管理，”恩智浦半導體射頻器件工程組總監 Christopher Dragon 說。
正如 Hart 所說，當今 5G 市場的主要區別在于出色的熱管理、最小的外形尺寸和最高的效率。如圖 2 所示，GaN 將幫助射頻集成實現無線電尺寸、重量和成本方面的突破。先進的熱管理，結合功率放大器控制和射頻系統優化，將實現以下結果：
· 對講機尺寸和重量減小，同比減少 20%
· 降低現場安裝成本：安裝過程更簡單，塔上的可用空間得到優化
· 由于較低的場地租賃成本和能源成本，降低了運營費用 (OPEX)
至少在射頻應用中，GaN 的一個潛在問題是眾所周知的長期記憶效應，這是由于 GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 中的電子俘獲。由于這種效應很難補償，恩智浦優化了其 GaN 技術以改善半導體中的電子俘獲，從而確保高線性度和低記憶效應。
氮化鎵封裝
關于功率器件的封裝，關鍵因素在于在熱管理和成本之間找到適當的平衡。目前，在通信領域，非常傳統的封裝用于大功率設備。然而，恩智浦正朝著異構集成的方向發展，將不同的半導體材料和不同的技術放在同一個封裝中。這將使設計工程師能夠實現功能豐富的環境，同時兼顧氮化鎵對高效率和高功率密度的需求。
“我認為，隨著頻率的不斷增加，我們將看到更多關于異構集成的探索，以及它如何與未來的封裝本身融合”，Hart 說。
NXP GaN 器件具有耗盡型工作模式，它本質上是封裝中的大功率晶體管，在輸入和輸出上具有匹配的組件。正如 Dragon 所說，“該設備針對任何所需的功率水平量身定制，平衡了成本、封裝和散熱，并為客戶保持了所有功率密度和封裝內外的良好匹配”。
恩智浦在GaN中成長
恩智浦在 5G 通信領域取得了長足的發展。憑借其技術創新、領先地位、系統專業知識和大規模制造能力，該公司的 GaN 驅動業務在未來幾年將以 15% 的復合年增長率增長，這一速度快于整個 5G 市場。
“隨著頻率的提高，氮化鎵和硅 LDMOS 之間的性能差異會越來越大。LDMOS 將繼續成為 2G、3G 和 4G 等傳統頻率范圍內更常見的技術。然而，由于今天的大部分部署頻率較高，它將主要基于 GaN，而我們在該領域的產品提供了理想的解決方案，”Hart 說。
