Gegenwärtig ist die Galliumnitrid (GaN)-Technologie nicht mehr auf Leistungsanwendungen beschränkt, und ihre Vorteile dringen auch in alle Ecken der HF-/Mikrowellenindustrie ein, und die Auswirkungen auf die HF-/Mikrowellenindustrie nehmen zu und sollten nicht unterschätzt werden , weil es vom Weltraum über Militärradar bis hin zu Mobilfunkanwendungen eingesetzt werden kann.

Obwohl GaN oft stark mit Leistungsverstärkern (PA) korreliert, hat es andere Anwendungsfälle. Seit seiner Einführung war die Entwicklung von GaN bemerkenswert, und mit dem Aufkommen der 5G-Ära könnte es interessanter werden.

Die Rolle von GaN in Radar und Raumfahrt

Zwei Varianten der GaN-Technologie sind GaN-on-Silicium (GaN-on-Si) und GaN-on-Silicium-Carbid (GaN-on-SiC). Laut Damian McCann, Director of Engineering bei Microsemis RF/Microwave Discrete Products Division, hat GaN-on-SiC einen großen Beitrag zu Raumfahrt- und Militärradaranwendungen geleistet. Heute suchen HF-Ingenieure nach neuen Anwendungen und Lösungen, um GaN-on-SiC zu nutzen. Die ständig steigenden Leistungs- und Effizienzwerte, die von Geräten erreicht werden, insbesondere in Weltraum- und Militärradaranwendungen.

GaN ist ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke mit hoher Härte, mechanischer Stabilität, Wärmekapazität, sehr geringer Empfindlichkeit gegenüber Wärmestrahlung und Wärmeleitfähigkeit sowie einem besseren Design für bessere Größe, Gewicht und Leistung (SWaP). Wir sehen auch, dass GaN-on-SiC viele konkurrierende Technologien sogar bei niedrigeren Frequenzen übertrifft.

Systemdesigner werden von der GaN-on-SiC-Technologie profitieren. PAM-XIAMENDoktor Victor erklärte, dass die thermisch gekoppelte und hochintegrierte Laminattechnologie in Kombination mit GaN-auf-SiC es Systemdesignern ermöglicht, ein höheres Integrationsniveau anzustreben, insbesondere um das Hauptradar zu erweitern, um mehr vom gleichen physischen Bereich abzudecken. Im Band kommt die Radarfunktion zweiter Ordnung hinzu. Bei Weltraumanwendungen hat die Machbarkeit von GaN-auf-SiC in letzter Zeit zugenommen, insbesondere bei Anwendungen, bei denen die Effizienz von GaN komplementär zu der Fähigkeit ist, bei höheren Frequenzen zu arbeiten. Die Leistungsdichte von Millimeterwellen (mmWave) GaN bringt eine neue Reihe von Designtechniken mit sich, die verwendet werden können, um höhere Kompensationsniveaus zu finden. Die Lösung muss bei der Leistungskompensation über Leistung und Linearität hinausgehen und auch eine Leistungssteuerung erfordern. Oder auf einen variablen VSWR-Pegel laufen lassen. Er wies auch darauf hin, dass die GaN-on-SiC-Technologie die alte Klystron-Technologie ersetzen kann. Die Popularität aktiver elektronisch gescannter Arrays (AESAs) und Phased-Array-Komponenten in militärischen und kommerziellen Raumfahrtanwendungen wird voraussichtlich auch für GaN-auf-SiC-basierte monolithische integrierte Mikrowellenschaltungen (MMICs) neue Leistungsniveaus erreichen, sagte er. In manchen Fällen ersetzen sie die in die Jahre gekommene Klystron-Technologie. Die begrenzte Anzahl qualifizierter 0,15-Mikron-GaN-auf-SiC-Wafer-Fertigungsstätten ist jedoch eine knappe Ressource auf dem Markt und erfordert weitere Investitionen. In manchen Fällen ersetzen sie die in die Jahre gekommene Klystron-Technologie. Die begrenzte Anzahl qualifizierter 0,15-Mikron-GaN-auf-SiC-Wafer-Fertigungsstätten ist jedoch eine knappe Ressource auf dem Markt und erfordert weitere Investitionen. In manchen Fällen ersetzen sie die in die Jahre gekommene Klystron-Technologie. Die begrenzte Anzahl qualifizierter 0,15-Mikron-GaN-auf-SiC-Wafer-Fertigungsstätten ist jedoch eine knappe Ressource auf dem Markt und erfordert weitere Investitionen.

GaN- und 5G-Kommunikation

Die GaN-Technologie ist nicht auf Weltraum- und Radaranwendungen beschränkt. Es treibt Innovationen im Bereich der Mobilfunkkommunikation voran. Welche Rolle spielt GaN im zukünftigen 5G-Netz?

Der Produktdirektor für metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) sagte, dass das boomende 5G voraussichtlich die traditionelle Mobilfunkkommunikation stören und neue Möglichkeiten für Betreiber und Dienstanbieter schaffen werde. 5G ist derzeit in Planung, wobei mobiles Breitband (Handy/Tablet/Laptop) mit Geschwindigkeiten von über 10 Gbit/s übertragen wird, während gleichzeitig Internet of Things (IoT)-Anwendungen eine extrem niedrige Latenz erreichen können. GaN ersetzt nach und nach Silizium (Si) in bestimmten Anwendungen (z. B. HF-Verstärker für 4G / LTE-Basisstationen). 5G-Bereitstellungen der nächsten Generation werden GaN-Technologie verwenden, und in den frühen Tagen von 5G wird GaN-on-SiC zunehmend in makrozellularen Netzwerken verwendet. 5G wird GaN-on-Si einführen, um mit GaN-on-SiC-Designs zu konkurrieren und in Kleinzellenanwendungen einzusteigen, die dann in Femtozellen-/Heimrouter und sogar Mobiltelefone einfließen können. Die GaN-Technologie wird im Hinblick auf die höheren Frequenzen, die von 5G-Netzen verwendet werden, entscheidend sein. Das 5G wird in mehreren Frequenzbändern eingesetzt und verfügt über zwei Hauptfrequenzbereiche, Sub-6-GHz für eine großflächige Abdeckung und 20 GHz (mmWave) oder höher für Bereiche mit hoher Dichte wie Stadien und Flughäfen. Um die strengen Anforderungen der 5G-Technologie (schnellere Datenraten, geringe Latenz, großflächiges Breitband) zu erfüllen, werden neue GaN-Technologien benötigt, um höhere Zielfrequenzen zu erreichen (d. h. die 28-GHz- und 39-GHz-Bänder). Darüber hinaus wird die GaN-Technologie für 5G-Mobiltelefone sehr gut geeignet sein. Aus technischer Sicht hat 5G ein Dämpfungsproblem, da mehrere Antennen räumliche Multiplexing-Techniken verwenden müssen, um die Signalqualität zu verbessern. Für jede Antenne ist ein dedizierter HF-Frontend-Chipsatz erforderlich. Im Vergleich zu Galliumarsenid (GaAs) und Si, GaN hat bei gleicher Leistung weniger Antennen. Der daraus resultierende Formfaktorvorteil macht GaN ideal für mobile 5G-Anwendungen.

PAM-XIAMEN arbeitet mit führenden Geräteherstellern und Forschungsinstituten zusammen, um GaN-on-Si zu entwickeln. Erstens muss eine Epitaxieschicht mit gleichmäßiger Dicke und gleichmäßiger struktureller Zusammensetzung über dem gesamten Wafer abgeschieden werden, der typischerweise ein Übergitter umfasst. Kunden benötigen auch eine präzise Schnittstellensteuerung mit einer scharfen Schnittstelle, um die Geräteeigenschaften zu optimieren. Es ist auch wünschenswert, keine Speicherdefekte zu haben, um Dotierstoffe wie Mg und Fe effektiv in eine bestimmte Schicht einzubauen. Als Antwort auf diese Anforderungen adressiert eine Single-Wafer-TurboDisc-Technologie die Herausforderungen der Transistorleistung, des HF-Verlusts, der harmonischen Verzerrung und der Gerätezuverlässigkeit, indem sie eine führende Dotierungssteuerung und Zusammensetzungsgleichmäßigkeit bietet und gleichzeitig die Kosten für das epitaktische Wachstum pro Wafer reduziert. Dies wird erreicht, indem die Dünnschichtabscheidungssteuerung des Propel-MOCVD-Systems verwendet wird, um ein qualitativ hochwertiges Pufferwachstum und seine Fähigkeit, solche Dotierstoffe einzubauen, zu erreichen. Da die zugehörigen Werkzeuge und Prozesse noch ausgereift werden müssen, um die Produktionskapazität zu erhöhen, ist die Marktgröße von GaN-on-Si und GaN-on-SiC gering und die Herausforderungen bleiben bestehen. Mit der Prozess- und Technologieverbesserung von 5G-Anwendungen gehen die Anwendungsfälle jedoch weiter. Der Aufschwung hat ein enormes Entwicklungspotenzial.

Beyond Power Amplifier: GaN-basierter rauscharmer Verstärker

In HF-/Mikrowellenanwendungen wird die GaN-Technologie häufig mit Leistungsverstärkern in Verbindung gebracht. PAM-XIAMEN demonstriert, dass GaN andere Anwendungsfälle hat, indem es einen rauscharmen Verstärker (LNA) entwickelt, der auf der GaN-Technologie basiert. Wir werden oft gefragt: Die GaAs pHEMT LNA-Technologie ist sehr ausgereift und weit verbreitet. Warum eine Reihe von GaN-HEMT-LNAs bei Mikrowellenfrequenz entwickeln? Der Grund ist einfach: GaN bietet mehr als nur geringes Rauschen.

Erstens hat GaN eine höhere Überlebensfähigkeit bei der Eingangsleistung und kann Front-End-Begrenzer, die typischerweise mit GaAs-PHEMT-LNAs verbunden sind, stark reduzieren oder eliminieren. Durch den Wegfall des Begrenzers kann GaN auch die Verluste dieser Schaltung ausgleichen, wodurch die Rauschzahl weiter reduziert wird. Zweitens hat der GaN-LNA einen höheren Ausgangs-Intercept-Punkt dritter Ordnung (IP3) als der GaAs-PHEMT, was die Linearität und Empfindlichkeit des Empfängers verbessert. Einer der Hauptgründe dafür, dass GaN diesen Vorteil gegenüber GaAs-Prozessen hat, ist seine inhärent hohe Durchbruchspannung. Wenn der LNA überlastet ist, kann ein Gate-Drain-Durchbruch einen Ausfall verursachen. Typische Durchbruchspannungen für GaAs-PHEMT-Geräte Bereich von 5 bis 15 V, wodurch die maximale HF-Eingangsleistung, der diese LNAs standhalten können, stark eingeschränkt wird, während der Durchbruchspannungsbereich des GaN-Prozesses auf 50 bis 100 V erweitert werden kann, was höhere Eingangsleistungspegel ermöglicht. . Außerdem ermöglicht eine höhere Durchbruchspannung, dass die GaN-Vorrichtung bei höheren Betriebsspannungen vorgespannt wird, was sich direkt in einer höheren Linearität niederschlägt. Wir haben gelernt, wie man die Vorteile von GaN maximiert und fortschrittliche LNAs mit der niedrigsten Rauschzahl und hoher Linearität und hoher Überlebensfähigkeit entwickelt. Daher ist GaN die bevorzugte LNA-Technologie für alle Hochleistungsempfängersysteme, insbesondere wenn die Anforderungen an die Störfestigkeit extrem hoch sind.

Alles in allem hat sich die GaN-Technologie zu einer wichtigen Kraft in der HF-/Mikrowellenindustrie entwickelt. In Zukunft, wenn die 5G-Kommunikation ausgereift ist, wird ihre Rolle weiter ausgebaut. Obwohl GaN und PA Hand in Hand gehen, sollte man die Arbeit der Industrie zur Entwicklung von LNAs mit dieser Technologie nicht aus den Augen verlieren. Jetzt ist es an der Zeit, Energie und Ressourcen in die Entwicklung von GaN zu investieren, denn seine Zukunft ist sehr rosig.

Über Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd

Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd (PAM-XIAMEN), ein führender Hersteller von VCSEL-Epitaxie-Wafern in China, wurde 1990 gegründet. Sein Geschäft umfasst GaN-Material, das GaN-Substrate , GaN-Epitaxie-Wafer bedeckt .

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