Vantagens, desafios e contramedidas de aplicação GaN no campo RF

No momento, de nitreto de gálio tecnologia (GaN) não está mais limitado a aplicações de energia, e as suas vantagens também estão se infiltrando em todos os cantos da indústria de RF / microondas, e o impacto sobre a indústria de RF / microondas está crescendo, e não deve ser subestimada , porque ele pode ser usado a partir do espaço, radar militar para aplicações de comunicações celulares.

Apesar de GaN é muitas vezes altamente correlacionada com amplificadores de potência (PA), tem outros casos de uso. Desde o seu lançamento, o desenvolvimento de GaN tem sido notável, e com o advento da era 5G, pode ser mais interessante.

O papel de GaN no radar e no espaço

Duas variantes da tecnologia de GaN são GaN-em-silicone (GaN-a-Si) e GaN-em-silício-carboneto (GaN-a-SiC). De acordo com Damian McCann, diretor de engenharia da RF do Microsemi / Micro-ondas discretas Products Division, GaN-on-SiC tem contribuído muito para o espaço e aplicações de radar militares. Hoje, engenheiros de RF está procurando novas aplicações e soluções para tirar proveito de GaN-on-SiC. Os níveis crescentes de desempenho de energia e eficiência conseguida por dispositivos, especialmente no espaço e aplicações de radar militares.

GAN é uma vasta material de banda proibida do semicondutor com dureza elevada, a estabilidade mecânica, a capacidade de calor, muito baixa sensibilidade à radiação térmica e a condutividade térmica e um melhor desenho para melhor tamanho, peso e potência Vantagens (SWAP). Vemos também GaN-on-SiC superando muitas tecnologias concorrentes, mesmo em freqüências mais baixas.

projetistas de sistemas irão beneficiar de tecnologia de GaN-on-SiC. PAM-XIAMEN Doutor Victor explicou que ligados termicamente e tecnologia laminado altamente integrado, em combinação com GaN-on-SiC, permite que os designers de sistemas para buscar um maior nível de integração, especialmente para estender o radar principal para cobrir mais da mesma área física. Na banda, é adicionado a função de radar de segunda ordem. Em aplicações espaciais, a viabilidade de GaN-a-SiC foi recentemente aumentado, especialmente em aplicações em que a eficiência de GaN é complementar para a capacidade de operar a frequências mais elevadas. A densidade de potência de ondas milimétricas (Mmwave) GaN traz um novo conjunto de técnicas de design que podem ser usados ​​para encontrar níveis mais elevados de compensação. A solução deve ir além do poder e linearidade na compensação de energia, e também a necessidade de controle de potência. Ou correr para um nível VSWR variável. Ele também apontou que a tecnologia GaN-on-SiC pode substituir a tecnologia klystron de idade. Também se espera que a popularidade de matrizes ativas de varredura eletrônica (AESAs) e componentes de matriz faseada das aplicações espaciais militares e comerciais para alcançar novos níveis de poder, mesmo para microondas circuitos integrados monolíticos baseados GaN-on-SiC (MMICs), disse ele. Em alguns casos, substituir a tecnologia klystron de envelhecimento. No entanto, o número limitado de qualificados 0,15 mícron fundições de wafer GaN-on-SiC é um recurso escasso no mercado e precisa de mais investimento.

comunicação GaN e 5G

tecnologia de GaN não se limita a aplicações espaciais e de radar. Ele está conduzindo a inovação no domínio das comunicações celulares. Qual o papel que GaN desempenhar no futuro da rede 5G?

Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) Product Director said that the booming 5G is expected to disrupt traditional cellular communications and create new opportunities for operators and service providers. 5G is currently being planned, with mobile broadband (mobile/tablet/laptop) transmitting at speeds in excess of 10 Gbps, while at the same time, Internet of Things (IoT) applications can achieve ultra-low latency. GaN is gradually replacing silicon (Si) in specific applications (ie RF amplifiers for 4G / LTE base stations). Next-generation 5G deployments will use GaN technology, and in the early days of 5G, GaN-on-SiC will increasingly be used in macrocellular networks. 5G will introduce GaN-on-Si to compete with GaN-on-SiC designs and enter small cell applications, which may then enter femtocell/home routers and even cell phones. GaN technology will be critical in terms of the higher frequencies used by 5G networks. The 5G will be deployed in multiple frequency bands and has two main frequency ranges, sub-6-GHz for wide area coverage and 20 GHz (mmWave) or higher for high density areas such as stadiums and airports. To meet the stringent 5G technology (faster data rates, low latency, large scale broadband) requirements, new GaN technologies are needed to achieve higher target frequencies (ie, the 28 GHz and 39 GHz bands). In addition, GaN technology will be very suitable for 5G mobile phones. From a technical point of view, 5G has a problem of attenuation, requiring multiple antennas to use spatial multiplexing techniques to improve signal quality. A dedicated RF front-end chipset is required for each antenna. Compared to gallium arsenide (GaAs) and Si, GaN has fewer antennas at the same power level. The resulting form factor advantage makes GaN ideal for 5G mobile applications.

PAM-XIAMEN está trabalhando com empresas de equipamentos principais e institutos de pesquisa para desenvolver GaN-on-Si. Primeiro, uma camada epitaxial de espessura uniforme e composição estrutural uniforme deve ser depositado ao longo de toda a bolacha, que, tipicamente, inclui um superrede. Os clientes também exigem controle de interface precisa usando uma interface afiada para otimizar características do dispositivo. É também desejável ter defeitos de memória de zero para incorporar eficazmente os contaminantes tais como magnésio e ferro em uma determinada camada. Em resposta a estas necessidades, uma tecnologia TurboDisc-wafer único aborda os desafios de desempenho do transistor, perda de RF, distorção harmônica e confiabilidade do dispositivo, proporcionando controle dopante líder e uniformidade de composição, reduzindo o custo do crescimento epitaxial por wafer. Isto é conseguido através da utilização de controlo de deposição de película fina do sistema de propulsão MOCVD para alcançar um crescimento de tampão de alta qualidade e a sua capacidade para incorporar tais dopantes. Como ferramentas e processos relacionados ainda precisa amadurecer para aumentar a capacidade de produção, o tamanho do mercado de GaN-on-Si e GaN-on-SiC é pequeno e os desafios permanecem. No entanto, com o processo e tecnologia de melhoria de aplicações 5G, os casos de uso continuar. A onda tem um enorme potencial para o desenvolvimento.

Além Amplificador de Potência: GaN-Baseado amplificador de baixo ruído

Em aplicações RF / microondas, tecnologia GaN é frequentemente associada com amplificadores de potência. PAM-XIAMEN está demonstrando que GaN tem outros casos de uso através do desenvolvimento de um amplificador de baixo ruído (LNA) baseado na tecnologia de GaN. Muitas vezes nos perguntam: tecnologia GaAs PHEMT LNA é muito maduro e amplamente utilizado. Por que desenvolver uma série de GaN HEMT LNAs na freqüência de microondas? A razão é simples: GaN oferece mais do que apenas o baixo ruído.

Em primeiro lugar, GaN tem maior capacidade de sobrevivência de potência de entrada e pode reduzir grandemente ou eliminar limitadores front-end tipicamente associados com GaAs PHEMT LNA. Ao eliminar o limitador, GaN também pode recuperar as perdas deste circuito, reduzindo ainda mais o valor de ruído. Em segundo lugar, o GaN LNA tem uma maior saída de terceira ordem ponto de intercepção (IP3) do que o GaAs PHEMT, o que melhora a linearidade e sensibilidade do receptor. Uma das principais razões para GaN a beneficiar desta vantagem sobre os processos de GaAs é inerentemente a sua alta tensão de ruptura. Quando o LNA está sobrecarregado, ruptura do gate-drenagem pode causar a falha. repartição típica para voltagens dispositivos de GaAs PHEMT gama de 5 a 15 V, o que limita severamente a potência de entrada de RF máxima que estes LNA pode suportar, enquanto gama tensão de ruptura do processo de GaN pode ser estendido para 50 a 100V, permitindo a níveis de potência de entrada mais elevadas. . Além disso, uma tensão de ruptura mais elevada permite que o dispositivo de GaN para ser polarizado com tensões de funcionamento mais elevadas, o que se traduz diretamente em maior linearidade. Nós aprendemos como maximizar os benefícios de GaN e criar LNAs avançadas com a figura de ruído mais baixo e alta linearidade e alta capacidade de sobrevivência. Portanto, a tecnologia de GaN é LNA preferida para todos os sistemas receptores de alto desempenho, especialmente quando os requisitos de imunidade são extremamente elevados.

Contudo, tecnologia de GaN tornou-se uma grande força na indústria / microondas a RF. No futuro, como a comunicação 5G amadurece, seu papel vai expandir ainda mais. Apesar de GaN e PA caminham lado a lado, não se deve perder de vista o trabalho da indústria para desenvolver LNAs utilizando esta tecnologia. Agora é o momento de investir energia e recursos no desenvolvimento de GaN, porque o seu futuro é muito brilhante.

Sobre Xiamen Powerway Avançada Material Co., Ltd

Encontrado em 1990, Xiamen Powerway Avançada Material Co., Ltd (PAM-Xiamen), líder na fabricação de wafers epitaxiais VCSEL na China, o seu negócio envolve cobertura material de GaN substrato de GaN, GaN wafer epitaxial.

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