硅基氮化镓正成为下一代移动通信基站的关键

作为一家专注于射频、微波和光子半导体产品开发的公司，成立于1950年的MACOM近几年在中国地区的业务取得了高速增长，微波和射频领域就是其中之一。MACOM无线产品中心资深总监成钢日前在接受本刊专访时表示，研发基于硅衬底的高功率氮化镓(GaN)技术将是公司下一步的战略重点，主要是为未来5G移动通信、以及其它新能源行业所急需的大功率器件做准备。 为何看重硅基高功率氮化镓技术？ MACOM硅衬底氮化镓功率放大器(PA)技术目前在业界拥有领先位置。相比目前广泛使用的LDMOS产品，氮化镓放大器产品在功率密度、带宽、可靠性和耐高温方面远胜于对手，例如可以承受200V以上的击穿电压和200度的高温。此外，在效率和线性性能方面，GaN也有突出的优点。 与传统氮化镓功率放大器不同，大功率器件的封装技术非常关键。基于碳化硅的氮化镓PA产品具有高的性能，缺点就是成本太高，不利于推动氮化镓工艺向大批量有低成本要求的商业领域应用进行拓展。而通过独有的8英寸晶圆工艺和高功率塑料封装技术，MACOM使得GaN PA实现了从实验室研究到大规模量产的跨越式发展，这对PA用量非常大的无线能源和无线通信领域来说，绝对是重大利好的消息。 在MACOM的产品路线图上，硅基氮化镓产品已经发展到第四代，其100W硅基氮化镓产品MAGX-100027-100的效率据称比LDMOS产品高10%，功率密度是LDMOS产品的4倍，能对2.7GHz的调制信号产生70%的峰值效率和19dB的增益，并同步大幅减小体积和成本。从这点上来看，硅基氮化镓产品已经和碳化硅基氮化镓产品性能非常接近。 “如果有机会看一下它的射频曲线，你就会发现从低频到高频这条曲线都很平，滚降很快，这和LDMOS器件的幅频特性非常相似。而它的相位特性指标AMPM数值在最大功率是为-5度，相比大部分LDMOS器件15-20度，碳化硅基氮化镓20-30度的数值，用户会觉得这完全不是一个量级的比较。”成钢说。 成钢说自己曾在一些场合展示了成熟的第三方数字预失真(DPD)平台的实际校验结果。数据显示，两载波、四载波LTE型号全部一次性通过了测试，但LDMOS和碳化硅基氮化镓器件在面对六载波GSM校正时就遇到了相当大的困难，特别是面向1.8GHz-2.2GHz频段应用时无法支持原始的GSM校正。不过这些对硅基氮化镓器件来说就完全不是问题。 很多国内客户把MACOM的产品直接用在TDD设备中，在做线性切换时保持了极好的线性度。以TDD系统级测试中最为关键的EVM指标为例，硅基氮化镓器件原始的EVM值约为3-5%，校验后可以达到1.3%；但碳化硅基氮化镓原始的10-15%的EVM值经过校验后最高只能达到3-4%，离业界期待的2%目标还有很大差距。而在存储效应测试中，硅基氮化镓的拖尾时长只有2-3毫秒，业界最好的碳化硅基氮化镓是12-13毫秒，拖尾从4%-90%。 下一代移动通信基站成为硅基氮化镓的突破口 能与成本更高的碳化硅基氮化镓技术相媲美，成钢认为尽管业界还没有形成完全的定论，但他们相信主要差别来自衬底材料的差异。相比之下，碳化硅有很大的晶格适配，需要使用氮离子掺杂，但掺杂会产生陷井效应(trapping effect)，导致物理特性产生变异，例如会存储电荷形成电容，产生记忆存储效应。然而这种由于掺杂产生的晶格缺陷对于硅材料来说是不存在的。 目前，MACOM对硅基材料生产采用了第三方授权制造的模式。比如台积电(TSMC)自身就有硅基氮化镓的供应能力，只不过它主要是为了电源或LED应用，所以工艺就是完全的CMOS工艺。只需要针对高频应用再做一些工艺和流程优化，或是MACOM授权IP给台积电，就可以实现硅基氮化镓产品的海量供货。MACOM为保证供货采取的另一个策略是多渠道供货，以平衡供应链上出现的波峰波谷问题。到2018年，MACOM硅基氮化镓器件的供货能力将达到千万片的级别，业界不必产生缺货的顾虑。 其实硅基氮化镓产品并不是一个全新的概念，在大功率LED中的应用就很普遍。但是将其应用于射频微波领域，MACOM是业内首家。根据成钢的介绍，MACOM将首先选择基站作为应用的突破口，这一市场的规模大约在10-15亿美元左右。在国内，MACOM已经和华为、中兴等巨头形成了战略合作伙伴关系。 除基站外，MACOM还准备将硅基氮化镓产品推向微波炉、咖啡加热机、汽车点火器、射频照明(RF lighting)等射频能量(RF energy)市场。例如在微波炉中取代磁控管，MACOM目前已经可以利用该芯片提供300瓦的连续功率输出，并使得加热部分做到信用卡大小。“我们的客户曾经做过一个名为ice fish的项目，就是先把一条鱼冰块冻住，再用这款微波炉去加热，结果是鱼熟了冰没有化，这对传统的微波炉来说是完全不可想象的。消费者预计在2018年就会看见相关产品大量上市。”成钢表示。此外，在汽车点火器中，采用硅基氮化镓替代其中的LDMOS，将可以节约15%的能量；在医学中利用微波进行手术，可对患者肿瘤进行精准的射频消融。