​用于射频的GaN-on-Silicon,达成里程碑

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-05-17 09:01

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 编译自 allaboutcircuits 谢谢。


随着 5G 和 6G 技术的发展,它们被证明是对底层电路和硬件的重大挑战。为了跟上无线技术的快速发展,工程师们正在硬件层面评估许多新技术。

其中一项技术是硅基氮化镓 (GaN-on-Si)。这项技术很有趣,因为它有可能将 GaN 的高性能容量与 Si 的可制造性和成本结合起来。
宽带隙 (WBG) 半导体材料的功率和频率比较
近日,意法半导体宣布与MACOM Technology Solutions合作,成功生产出RF GaN-on-Si原型。

本文将着眼于 GaN-on-Si 技术、其在射频应用中的潜力,以及来自 ST 和 MACOM 的新闻。

GaN 和可能的射频挑战


有充分证据表明,GaN 等 WBG 半导体是在未来射频和电力电子设备中实现高功率效率的最有前途的技术之一。

由于其材料特性,GaN 为电力电子设备提供了独特的优势,例如:
  • 大带隙

  • 高电子饱和速度

  • 大击穿场

  • 高机动性


这些特性共同提供了高效率、耐热性和可靠性等显着的性能优势,而不是传统的硅解决方案。
GaN HEMT 的结构

例如,在射频应用中,GaN 产品的性能大大优于传统的横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 技术,后者是功率放大器 (PA) 等组件的传统选择。借助 GaN,RF PA 可以实现更高的输出功率和效率,从而实现更小、性能更高的 5G 和 6G 硬件。

然而,GaN 面临的一个显著挑战是它不能像 Si 那样受益于规模经济。由于硅得到了很好的研究并且已经商业化了几十年,硅产品的现有制造工艺允许大批量和低成本的产品,即使在复杂的技术节点上也是如此。

另一方面,GaN 是一种相对较新的技术,没有必要的制造基础设施来满足与 Si 提供的相同成本。

GaN-on-Silicon——一种 GaN 制造解决方案


为了解决这个问题,许多人转向了 GaN-on-Si 技术。

GaN-on-Si 是一种制造工艺,其中 GaN 器件可以直接在传统硅衬底上生长。在这个过程中,GaN 外延层在硅衬底上生长,允许现有的硅制造基础设施以低成本大规模生产 GaN 器件。
用于光子学的 GaN-on-Si 制造工艺示例
然而,这个过程并非没有挑战。事实证明,由于两种材料的晶格结构不匹配,从 Si 衬底中生长出高质量的 GaN 非常困难。因此,目前,GaN-on-Si 并未广泛用于射频,但该行业继续在该技术上进行大量投资。

ST 和 MACOM 合作开发 RF GaN-on-Si


本周,ST 和 MACOM 宣布成功生产 RF GaN-on-Silicon 原型,成为业界头条新闻。

虽然没有太多关于此消息的明确细节,但两家公司声称他们开发的原型晶圆和设备已经实现了与传统 LDMOS 解决方案相当的成本和性能。随着这些原型的成功生产,他们计划在 2022 年将产品推进到鉴定和工业化阶段。

这一消息意义重大,因为它代表了该领域的主要参与者齐心协力开发 GaN-on-Si 技术并取得成功。通过这一点,该行业更接近于获得 GaN 的性能优势,同时实现 Si 的规模经济。

最后,这一成就有望使工程师能够以更少的成本利用更好的性能,从而制造出更好的电路、系统和产品。

在射频 GaN-on-Si 原型上实现技术和性能里程碑


瑞士日内瓦的 STMicroelectronics 和美国马萨诸塞州 Lowell 的 MACOM Technology Solutions Inc(设计和制造模拟射频、微波、毫米波和光子半导体、组件和子组件)宣布,已经生产射频硅基氮化镓( RF GaN-on-Si) 原型。

作为长期在位的射频功率技术,硅基横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)主导了早期射频功率放大器(PA)。然而,GaN 可以为射频功率放大器提供卓越的射频特性和比 LDMOS 显着更高的输出功率,特别是在 5G 和 6G 基础设施方面具有很高的潜力。此外,GaN 可以在硅或碳化硅 (SiC) 晶圆上制造。

由于高功率应用对 SiC 晶圆的竞争以及其非主流半导体加工,RF GaN-on-SiC 可能更昂贵。另一方面,意法半导体和 MACOM 正在开发的 GaN-on-Si 技术有望通过集成到标准半导体工艺流程中提供具有竞争力的性能和巨大的规模经济。

据估计,意法半导体制造的原型晶圆和器件已经实现了成本和性能目标,这将使它们能够有效地与市场上现有的 LDMOS 和 GaN-on-SiC 技术竞争。这些原型现在正转向鉴定和工业化。意法半导体的目标是在 2022 年实现这些里程碑。随着这一进展,意法半导体和 MACOM 已经开始讨论进一步扩大他们的努力,以加快向市场交付 RF GaN-on-Si 产品的速度。

“该技术现已达到性能水平和工艺成熟度,可以有效地挑战现有的 LDMOS 和 GaN-on-SiC,我们可以为包括无线基础设施在内的大批量应用提供有吸引力的成本和供应链优势,”STMicroelectronics 功率晶体管子集团总经理兼执行副总裁Edoardo Merli 相信,。“将 RF GaN-on-silicon 产品商业化是我们与 MACOM 合作的下一个重要里程碑,随着不断的进步,我们期待着充分发挥这项激动人心的技术的潜力,”他补充道。

MACOM 总裁兼首席执行官 Stephen G. Daly 评论说:“我们一起继续在将 GaN-on-Si 技术推向商业化和大批量生产方面取得良好进展。” “我们与意法半导体的合作是我们射频功率战略的重要组成部分,我相信我们可以在硅基氮化镓技术满足技术要求的目标应用中赢得市场份额。”


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