En la actualidad, la tecnología de nitruro de galio (GaN) ya no se limita a aplicaciones de energía, y sus ventajas también se están infiltrando en todos los rincones de la industria de RF/microondas, y el impacto en la industria de RF/microondas está creciendo y no debe subestimarse. , porque se puede utilizar desde el espacio, el radar militar hasta las aplicaciones de comunicaciones celulares.

Aunque GaN a menudo está altamente correlacionado con los amplificadores de potencia (PA), tiene otros casos de uso. Desde su lanzamiento, el desarrollo de GaN ha sido notable y, con la llegada de la era 5G, puede ser más interesante.

El papel de GaN en el radar y el espacio

Dos variantes de la tecnología GaN son GaN sobre silicio (GaN sobre Si) y GaN sobre carburo de silicio (GaN sobre SiC). Según Damian McCann, director de ingeniería de la División de Productos Discretos de RF/Microondas de Microsemi, GaN-on-SiC ha contribuido en gran medida a las aplicaciones de radar militar y espacial. Actualmente, los ingenieros de RF están buscando nuevas aplicaciones y soluciones para aprovechar GaN-on-SiC. Los niveles cada vez mayores de rendimiento de potencia y eficiencia logrados por los dispositivos, especialmente en aplicaciones de radar militar y espacial.

GaN es un material semiconductor de banda prohibida ancha con alta dureza, estabilidad mecánica, capacidad calorífica, muy baja sensibilidad a la radiación térmica y conductividad térmica, y un mejor diseño para mejores ventajas de tamaño, peso y potencia (SWaP). También vemos que GaN-on-SiC supera a muchas tecnologías de la competencia, incluso a frecuencias más bajas.

Los diseñadores de sistemas se beneficiarán de la tecnología GaN-on-SiC. PAM-XIAMENEl doctor Victor explicó que la tecnología de laminado acoplado térmicamente y altamente integrado, en combinación con GaN-on-SiC, permite a los diseñadores de sistemas buscar un mayor nivel de integración, especialmente para extender el radar principal para cubrir más de la misma área física. En la banda se añade la función de radar de segundo orden. En aplicaciones espaciales, la viabilidad de GaN-on-SiC ha aumentado recientemente, especialmente en aplicaciones donde la eficiencia de GaN es complementaria a la capacidad de operar a frecuencias más altas. La densidad de potencia de la onda milimétrica (mmWave) GaN trae un nuevo conjunto de técnicas de diseño que se pueden utilizar para encontrar niveles más altos de compensación. La solución debe ir más allá de la potencia y la linealidad en la compensación de potencia, y también necesita control de potencia. O corra a un nivel de VSWR variable. También señaló que la tecnología GaN-on-SiC puede reemplazar la antigua tecnología klystron. También se espera que la popularidad de los arreglos activos escaneados electrónicamente (AESA) y los componentes de arreglos en fase en aplicaciones espaciales militares y comerciales alcancen nuevos niveles de potencia, incluso para los circuitos integrados de microondas monolíticos (MMIC) basados ​​en GaN-on-SiC, dijo. En algunos casos, reemplace la tecnología klystron envejecida. Sin embargo, el número limitado de fundiciones calificadas de obleas de GaN-on-SiC de 0,15 micras es un recurso escaso en el mercado y necesita más inversión. En algunos casos, reemplace la tecnología klystron envejecida. Sin embargo, el número limitado de fundiciones calificadas de obleas de GaN-on-SiC de 0,15 micras es un recurso escaso en el mercado y necesita más inversión. En algunos casos, reemplace la tecnología klystron envejecida. Sin embargo, el número limitado de fundiciones calificadas de obleas de GaN-on-SiC de 0,15 micras es un recurso escaso en el mercado y necesita más inversión.

Comunicación GaN y 5G

La tecnología GaN no se limita a aplicaciones espaciales y de radar. Está impulsando la innovación en el campo de las comunicaciones celulares. ¿Qué papel juega GaN en la futura red 5G?

El Director de Producto de Deposición de Vapores Químicos Orgánicos Metálicos (MOCVD) dijo que se espera que el auge de 5G interrumpa las comunicaciones celulares tradicionales y cree nuevas oportunidades para operadores y proveedores de servicios. Actualmente se está planificando 5G, con banda ancha móvil (móvil/tableta/computadora portátil) transmitiendo a velocidades superiores a 10 Gbps, mientras que, al mismo tiempo, las aplicaciones de Internet de las cosas (IoT) pueden lograr una latencia ultrabaja. GaN está reemplazando gradualmente al silicio (Si) en aplicaciones específicas (es decir, amplificadores de RF para estaciones base 4G/LTE). Las implementaciones de 5G de próxima generación utilizarán tecnología GaN y, en los primeros días de 5G, GaN-on-SiC se utilizará cada vez más en redes macrocelulares. 5G introducirá GaN-on-Si para competir con los diseños de GaN-on-SiC e ingresará a aplicaciones de celdas pequeñas, que luego pueden ingresar a femtoceldas/enrutadores domésticos e incluso teléfonos celulares. La tecnología GaN será fundamental en términos de las frecuencias más altas utilizadas por las redes 5G. El 5G se implementará en múltiples bandas de frecuencia y tiene dos rangos de frecuencia principales, sub-6 GHz para cobertura de área amplia y 20 GHz (mmWave) o superior para áreas de alta densidad como estadios y aeropuertos. Para cumplir con los estrictos requisitos de la tecnología 5G (velocidades de datos más rápidas, baja latencia, banda ancha a gran escala), se necesitan nuevas tecnologías GaN para lograr frecuencias objetivo más altas (es decir, las bandas de 28 GHz y 39 GHz). Además, la tecnología GaN será muy adecuada para teléfonos móviles 5G. Desde un punto de vista técnico, 5G tiene un problema de atenuación, lo que requiere múltiples antenas para usar técnicas de multiplexación espacial para mejorar la calidad de la señal. Se requiere un chipset frontal de RF dedicado para cada antena. En comparación con el arseniuro de galio (GaAs) y Si, GaN tiene menos antenas al mismo nivel de potencia. La ventaja del factor de forma resultante hace que GaN sea ideal para aplicaciones móviles 5G.

PAM-XIAMEN está trabajando con empresas de equipos líderes e institutos de investigación para desarrollar GaN-on-Si. En primer lugar, se debe depositar una capa epitaxial de espesor uniforme y composición estructural uniforme sobre toda la oblea, que normalmente incluye una superred. Los clientes también requieren un control preciso de la interfaz utilizando una interfaz nítida para optimizar las características del dispositivo. También es deseable tener cero defectos de memoria para incorporar efectivamente dopantes como Mg y Fe en una capa particular. En respuesta a estas necesidades, una tecnología TurboDisc de una sola oblea aborda los desafíos del rendimiento del transistor, la pérdida de RF, la distorsión armónica y la confiabilidad del dispositivo, proporcionando control de dopantes líder y uniformidad de composición al tiempo que reduce el costo de crecimiento epitaxial por oblea. Esto se logra utilizando el control de deposición de película delgada del sistema Propel MOCVD para lograr un crecimiento de tampón de alta calidad y su capacidad para incorporar tales dopantes. Dado que las herramientas y los procesos relacionados aún deben madurar para aumentar la capacidad de producción, el tamaño del mercado de GaN-on-Si y GaN-on-SiC es pequeño y los desafíos persisten. Sin embargo, con la mejora de los procesos y la tecnología de las aplicaciones 5G, los casos de uso continúan. El aumento tiene un enorme potencial de desarrollo.

Más allá del amplificador de potencia: amplificador de bajo ruido basado en GaN

En las aplicaciones de RF/microondas, la tecnología de GaN suele asociarse con amplificadores de potencia. PAM-XIAMEN está demostrando que GaN tiene otros casos de uso mediante el desarrollo de un amplificador de bajo ruido (LNA) basado en la tecnología GaN. A menudo nos preguntan: La tecnología GaAs pHEMT LNA es muy madura y se usa ampliamente. ¿Por qué desarrollar una serie de LNA HEMT de GaN a frecuencia de microondas? La razón es simple: GaN ofrece más que un bajo nivel de ruido.

En primer lugar, GaN tiene una capacidad de supervivencia de potencia de entrada más alta y puede reducir o eliminar en gran medida los limitadores de front-end típicamente asociados con los LNA pHEMT de GaAs. Al eliminar el limitador, GaN también puede recuperar las pérdidas de este circuito, reduciendo aún más la figura de ruido. En segundo lugar, el GaN LNA tiene un punto de intercepción de tercer orden (IP3) de salida más alto que el GaAs pHEMT, lo que mejora la linealidad y la sensibilidad del receptor. Una de las principales razones por las que GaN tiene esta ventaja sobre los procesos de GaAs es su voltaje de ruptura inherentemente alto. Cuando el LNA está sobrecargado, la ruptura del drenaje de la compuerta puede causar una falla. Voltajes de ruptura típicos para dispositivos GaAs pHEMT rango de 5 a 15 V, lo que limita severamente la potencia máxima de entrada de RF que estos LNA pueden soportar, mientras que el rango de voltaje de ruptura del proceso GaN se puede extender de 50 a 100 V, lo que permite niveles de potencia de entrada más altos. . Además, un voltaje de ruptura más alto permite polarizar el dispositivo de GaN a voltajes operativos más altos, lo que se traduce directamente en una linealidad más alta. Hemos aprendido cómo maximizar los beneficios de GaN y crear LNA avanzados con la figura de ruido más baja y alta linealidad y alta capacidad de supervivencia. Por lo tanto, GaN es la tecnología LNA preferida para todos los sistemas receptores de alto rendimiento, especialmente cuando los requisitos de inmunidad son extremadamente altos.

Con todo, la tecnología GaN se ha convertido en una fuerza importante en la industria de RF/microondas. En el futuro, a medida que madure la comunicación 5G, su papel se ampliará aún más. Aunque GaN y PA van de la mano, no se debe perder de vista el trabajo de la industria para desarrollar LNA utilizando esta tecnología. Ahora es el momento de invertir energía y recursos en el desarrollo de GaN, porque su futuro es muy brillante.

Acerca de Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd

Fundado en 1990, Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd (PAM-XIAMEN), un fabricante líder de obleas epitaxiales VCSEL en China, su negocio involucra material de GaN que cubre el sustrato de GaN, obleas epitaxiales de GaN .

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