氮化镓 项目话题内容:12
版主:管理员 高产能、高效率、自主外延技术,相较于美日氮化镓材料,有着明显的成本优势
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射频应用

虽然氮化镓用到手机上还不现实,但业界还是要关 注射频氮化镓技术的发展。“与砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等高频工艺相比,氮化镓器件输出的功率更大;与LDCMOS和碳化硅(SiC)等功率工艺相比,氮化镓的频率特性更好。” 分析机构Strategy Analytics的分析师Eric Higham说。

“氮化镓器件的瞬时带宽更高,这一点很重要,载波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了得到更大的带宽。”Higham说,“这意味着覆盖系统的全部波段和频道只需要更少的放大器。”

氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是射频应用中常用的三五价半导体材料,LDMOS(横向扩散MOS技术)是基于硅的射频技术,碳化硅(SiC)可用于功率或射频领域。

可以肯定的是,氮化镓不会统治整个射频应用,设备厂商会像以前一样,根据应用选择不同的器件和工艺制程技术,包括三五价化合物与硅材料。“(射频领域)还是有砷化镓与硅器件的市场空间。”GlobalFoundries射频市场总监Peter Rabbeni说道。

 

不过制造工艺上氮化镓和CMOS不同。氮化镓的衬底是在高温下利用金属有机气相沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)技术生长的。氮化镓与一般半导体材料的最大区别是禁带更宽。禁带宽度是表征价电子被束缚强弱程度的一个物理量,禁带越宽,对价电子的束缚越紧,使价电子摆脱束缚成为自由电子的能量越大。禁带宽度也决定了自由移动电子的质量。

氮化镓的禁带宽度是3.4 eV(电子伏特),另一种宽禁带材料碳化硅是3.3eV,对比一下,现在的射频工艺砷化镓(GaAs)的禁带宽度是1.4eV,而硅是1.1eV。

用氮化镓和碳化硅等宽禁带材料制造的芯片能够承受更高的电压,所以与其他技术相比,输出能量密度更高,可工作环境温度也更高。“此外,氮化镓器件在技术上还有很多优势,例如更高的输出阻抗。高输出阻抗可以使氮化镓器件的阻抗匹配和功率组合更容易,这样可以覆盖更宽的频率范围,提高射频功放器件的适用性。”NI AWR事业部技术市场总监David Vye说道。

 

      氮化镓器件有什么缺点呢?缺点就是太贵了,现在绝大部分射频氮化镓器件是用又贵又小的碳化硅做衬底生产的。氮化镓具备独特的宽禁带特性,但太贵了!除了成本,射频氮化镓器件也有一些其他的问题。“设计工程师需要精确的氮化镓器件模型来进行电路仿真,完成现代通信系统所需要的高效率、高线性度的功放阻抗匹配与偏置电路设的设计。”Vye说道,“此外,工程师正准备把氮化镓应用到一些新领域,例如包络跟踪、数字预校正、谐波负载牵引测试仿真技术等。这些应用都依赖极大的数据集,因为要求测试系统又快又准确,还要自适应。”

军事应用

然而,射频氮化镓器件现在最大的市场是军事与航天领域。大约十五年前,在美国国防部的资助下,研究人员开始投入到射频氮化镓技术的研究,这才催生了现在的射频氮化镓器件市场。根据Strategy Analytics的统计,国防和航天应用占了射频氮化镓总市场规模的40%,雷达和电子战系统是射频氮化镓的最大应用市场。

2016年3月,雷神公司宣布其爱国者导弹防御系统采用了最新的基于氮化镓技术的天线系统。爱国者导弹防御系统是一种陆基导弹防御系统,可拦截弹道导弹、无人机和飞机。旧爱国者系统采用的雷达技术被称为被动电子扫描阵列,新雷达系统改为主动电子扫描阵列(AESA),主动电子扫描阵列将提供给爱国者系统360度的雷达能力。“雷神相信,升级到基于氮化镓技术的主动电子扫描阵列雷达,可以使爱国者系统保持对新型进攻武器优势。”雷神空中和导弹综合防御业务发展副总裁Tim Glaeser说道。主动电子扫描阵列雷达是基于相控阵技术,相控阵设备包含一组可以单独控制的天线,利用波束成形技术,可以让这组天线转向不同的方向。

       值得注意的是,这些技术正在从军用转向商用。例如,主动电子扫描阵列和相控阵技术已经被用于60GHz毫米波Wi-Fi技术、汽车雷达系统和无线基站等。此外,5G中将广泛采用相控阵技术。

       同时,氮化镓工艺制造的功率放大器也已经用于点对点通信的军用手持式无线电中。因此,供应商相信手机中将来也会用上氮化镓器件。

 

商业应用

虽然已经用在了基站里面,但普通手机要用上射频氮化镓技术,还需要等待很长的时间。

一方面,移动运营商正在竭力满足爆炸式增长的数据流量需求。根据爱立信的预测,从2015年至2021年,全球移动数据流量每年增长率为45%。

通过载波聚合可以缓解移动互联网对于数据带宽的需求。载波聚合把不同频率的多个频谱组合成一个完整频段,频段中的每一个频谱被称为载波单元。现在的LTE移动通信标准(Release 10)最大可以将5个载波单元(每个载波单元20MHz带宽)组合起来,以实现100MHz带宽。

以后,移动运营商将会公布新标准LTE Advanced Pro,也被称为4.5G技术。LTE Advanced Pro最多可以组合32个载波单元,并会整合大规模多入多出技术(Massive MIMO)和非授权波段LTE技术。大规模多入多出技术已经在基站中被采用,可以利用多根天线来提升通信容量。

载波聚合和大规模多入多出技术促使基站去采用性能更好的功放。基站中以前采用的射频功放主要基于LDMOS技术,但Qorvo的人员表示,LDMOS技术的极限频率不超过3.5GHz,也不能满足视频应用所需的300MHz以上带宽。

因为上述原因,基站开始采用射频氮化镓器件来替代LDMOS器件。“LDMOS器件物理上已经遇到极限,”Qorvo无线基础设施产品部总经理Sumit Tomar说道,“这就是氮化镓器件进入市场的原因。基站应用需要更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率,这些因素都促成了基站接受氮化镓器件。”

制造氮化镓器件有两种方式,一种是Qorvo和其他大多数厂商都采用的基于碳化硅的氮化镓射频工艺,一种是Macom主导的基于硅的氮化镓射频工艺。两种工艺各有优劣。根据Qorvo的说法,相比基于硅的氮化镓,基于碳化硅的氮化镓工艺有更高的功率密度、更好的热传导性。不过硅衬底比碳化硅衬底更便宜。Macom正在计划将生产工艺从6英寸升级到8英寸,从而进一步降低基于硅的氮化镓射频工艺。现在大多数基于碳化硅的氮化镓还是采用3英寸或4英寸晶圆生产,因此成本非常高,Qorvo计划今年年底采用6英寸晶圆来生产基于碳化硅的氮化镓。“升级以后Qorvo基于碳化硅的氮化镓器件的产能大约翻一倍,”Qorvo物理器件研究员Jose Jimenez说道,“采用大尺寸晶圆生产氮化镓器件以后,无线基础设施和商用市场都可以用上更便宜的氮化镓器件。”

LED

芯片是LED的核心部件。目前国内外有很多LED芯片厂家,然而芯片分类没有统一的标准,若按功率分类,则有大功率和中小功率之分;若按颜色分类,则主要为红色、绿色、蓝色三种;若按形状分类,一般分为方片、圆片两种;若按电压分类,则分为低压直流芯片和高压直流芯片。国内外芯片技术对比方面,国外芯片技术新,国内芯片重产量不重技术。

  衬底材料和晶圆生长技术成关键。目前,LED芯片技术的发展关键在于衬底材料和晶圆生长技术。除了传统的蓝宝石、硅(Si)、碳化硅(SiC)衬底材料以外,氧化锌(ZnO)和氮化镓(GaN)等也是当前LED芯片研究的焦点。目前,市面上大多采用蓝宝石或碳化硅衬底来外延生长宽带隙半导体氮化镓,这两种材料价格都非常昂贵,且都为国外大企业所垄断,而硅衬底的价格比蓝宝石和碳化硅衬底便宜得多,可制作出尺寸更大的衬底,提高MOCVD的利用率,从而提高管芯产率。所以,为突破国际专利壁垒,中国研究机构和LED企业从硅衬底材料着手研究。

问题是,硅与氮化镓的高质量结合是LED芯片的技术难点,两者的晶格常数和热膨胀系数的巨大失配而引起的缺陷密度高和裂纹等技术问题长期以来阻碍着芯片领域的发展。

无疑,从衬底角度看,主流衬底依然是蓝宝石和碳化硅,但硅已经成为芯片领域今后的发展趋势。对于价格战相对严重的中国来说,硅衬底更有成本和价格优势:硅衬底是导电衬底,不但可以减少管芯面积,还可以省去对氮化镓外延层的干法腐蚀步骤,加之,硅的硬度比蓝宝石和碳化硅低,在加工方面也可以节省一些成本。

目前LED产业大多以2英寸或4英寸的蓝宝石基板为主,如能采用硅基氮化镓技术,至少可节省75%的原料成本。据日本三垦电气公司估计,使用硅衬底制作大尺寸蓝光氮化镓LED的制造成本将比蓝宝石衬底和碳化硅衬底低90%。

国内外芯片技术差异大

在国外,欧司朗、美国普瑞、日本三垦等一流企业已经在大尺寸硅衬底氮化镓基LED研究上取得突破,飞利浦、韩国三星、LG、日本东芝等国际LED巨头也掀起了一股硅衬底上氮化镓基LED的研究热潮。其中,在2011年,美国普瑞在8英寸硅衬底上研发出高光效氮化镓基LED,取得了与蓝宝石及碳化硅衬底上顶尖水平的LED器件性能相媲美的发光效率160lm/W;在2012年,欧司朗成功生产出6英寸硅衬底氮化镓基LED。

      反观中国内地,LED芯片企业技术的突破点主要还是提高产能和大尺寸蓝宝石晶体生长技术,除了晶能光电在2011年成功实现2英寸硅衬底氮化镓基大功率LED芯片的量产外,中国芯片企业在硅衬底氮化镓基LED研究上无大的突破,目前中国内地LED芯片企业还是主攻产能、蓝宝石衬底材料及晶圆生长技术,内地芯片巨头也大多在产能上取得突破。
 2018-03-05 14:32:01
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