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GaN离电子战应用还有多远？

2016-11-07 信息与电子前沿

本文转载自微信公众号：MEMS技术

像幼鸟飞离鸟巢一样，2000年代中期，氮化镓（GaN）射频功率晶体管走出了实验室，步入坎坷的应用之路。虽然它并不完全是一种新兴技术，但其已发展到能赋予美国陆军遥控简易爆炸装置（RCIED）干扰机执行任务所需的功率。在此后不到十年的时间里，GaN技术日渐成熟，与硅横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）和砷化镓（GaAs）器件一起找到了用武器之地，其进入商用领域的速度超过了GaAs。人们常常将GaN技术的发展与GaAs技术的发展进行比较。对于防御市场以及某些商业基础设施市场来说，GaN技术光明前景的到来还需要几年的时间——但非常值得期待！

GaN的发展与GaAs的发展大致相同，它是由美国DARPA和国防部其他机构推动的。1980年代初，DARPA认识到电控（有源）相控阵雷达需要固态放大器而不是行波管射频功率放大器。微波和毫米波集成电路（MIMIC）项目由美国国防部在1980年代末期立项，DARPA负责管理，旨在将那些致力于GaAs器件和单片微波集成电路（MMIC）研究、加速其在收发模块和其他防御系统中应用的各项工作加以整合。

MIMIC项目的另一个目的是创建一个商用市场，以降低成本，使GaAs射频功率器件适合于商业应用。这项为期7年、投资7.5亿美元的项目现在已是微波界的传奇，因为它真正实现了设想。今天，GaAs器件市场单独可以产生数十亿美元的收入，并使高性能手机和其他“无线使能”器件成为可能，并且经济上更加实惠。

GaN的发展轨迹与GaAs大致相同。美国国防部认识到，下一代电子战系统和AESA雷达以及通信系统仅靠GaAs MMIC器件提供的能力是不行的，GaN似乎是唯一可行的技术。通过DARPA和其他政府实体，美国国防部要求工业界在GaN技术的开发上要向GaAsMIMIC项目看齐。从GaN当前的发展现状来看，结果很可能是一样的。

当前的GaN器件技术

这涉及两个主题。第一个是，无论是在硅衬底还是在碳化硅（SiC）衬底上制造GaN器件，GaN已经是一种可以进行生产的、可靠的技术。第二个是，在4GHz以上的频率，SiC基GaN和硅基GaN将推动美国国防部大多数系统未来的发展。

雷声公司综合防御系统业务部先进技术项目高级工程技术人员史蒂芬·伯恩斯坦说：“GaN技术在2000年代逐步成熟，我们目前已处在生产阶段。SiC基GaN技术目前达到制造成熟度8级（MRL 8），准备进入低速率初始生产阶段，现在到了进一步将这一技术向前推进的时候了。”

美国国防部创建的制造成熟度系统（MRL）共有10级。达到MRL 8级，意味着器件必须进行试生产能力演示，拥有所需的材料、经过证明的制造和质量过程及程序，使生产面临的风险足够低。达到MRL 9级的器件则可以准备进入全面生产阶段，达到MRL 10级的器件基本上是成熟的技术。所以，在很短的时间内使GaN达到MRL 8级是相当了不起的成就。

飞思卡尔半导体公司研究员、射频器件技术总监韦恩·伯格说：“这项技术现在肯定更加成熟了。让我们回到1990年代末，当时晶圆的尺寸为1+3/8英寸。但是，现在的材料质量相当高，且缺陷密度很低，晶片的尺寸达到4英寸，对于SiC基GaN，有时会达到6英寸。这是相当令人鼓舞的。尽管如此，该技术仍有不少尚未开发的潜力，要实现‘英雄’的功率密度，即40W/mm，仍有很长的路要走，因为热量的制约，还没看到任何甚至是接近这一尺寸的东西。”

罗克韦尔公司先进技术中心首席工程经理安迪·沃克说：“十年前，从3英寸衬底上获得已知合格芯片（KGD），并将它们封装起来是不寻常的。现在你可以买到6英寸的晶圆，对于SiC基GaN来说，产率在90%左右。”不过，他指出，自2000年代中期以来，可用功率密度似乎并没有增加很多。他说：“我们可以在两个倍频程带宽的饱和功率放大器中实现5W/mm的功率密度。我不知道是否会比这更进一步。5W/mm的功率密度似乎是标准，即使人们已经演示了‘英雄’功率密度度量（大于40W/mm），还是有很多工作要做，以实现所需的性能。”

沃克解释说：“第一步是减少栅极周边热量，然后是芯片级热量、系统级热量，然后也许我们会发现一些制约功率的新的表面物理问题或电子传递问题有待解决。眼下，我们必须解决的是热量问题。”

诺格电子系统公司先进概念与技术副总裁迈克·米尼说：“2009年，我们研究了预测产量和附加功率效率问题。今天来看我们的这些预测，GaN取得的进展要比预测的快得多，实现的产量规模是我们没有预料到的。但从性能的角度来看，仍有提高的空间，但对于产品来说，产量现在是完全可以接受的。几年前，在制造和成熟度方面还存在问题，但这些问题目前已经得到解决。”

在可靠性方面，MACOM公司标准产品策略主任蒂莫西·博尔斯说：“我们正在硅和SiC衬底上对GaN进行加速寿命试验。我们是正在研究射频可靠性、加速条件下的驱动器件并研究射频性能变化的少数几家公司之一，而不仅仅只是DC测试。目标是获得100万小时的寿命，这似乎过长，但当你建造一个拥有7万个阵元的相控阵雷达时，如果没有100万小时，就要不断更换阵元。看一下‘铺路爪’雷达系统，我过去曾惊奇为什么会有人需要111年的工作寿命，但如果进行一下统计分析，你就会知道为什么需要那么长的寿命。我们通常知道的是，每超过10万小时，输出功率就会衰减1 dB。”

由TriQuint公司与RFMD合并组成的Qorvo公司最近已经解决了GaN的长时间可靠性问题。IDP研究公司高级主管道格·雷普博士说：“Qorvo公司在1990年代后期开始进行研发。我们首个合格的GaN于2008年问世，我们最近达到了MRL9级。除了满足严格的环境条件要求，如加速寿命试验（HAST）符合JEDEC标准要求外，对于我们所有的半微米、四分之一微米和0.15微米的栅长技术而言，我们GaN的平均无故障时间（MTTFS）在200摄氏度远远大于1000万小时，达到了在非常长的全寿命周期内非常鲁棒的可靠性以及可靠的性能。”

尽管GaN的可靠性一直对开拓其在更高频率的许多应用构成制约，但这并不是使进程中断的因素。GaN制造商们一直在应对这一挑战，并不断取得成功，且在继续应对这一挑战。

现实的召唤

虽然GaN的前景光明，但也不是万能的，因为在有些应用中，采用LDMOS更为合适。LDMOS获益于几十年的发展进步和市场的扩张，这使其比SiC基GaN要便宜得多。硅基GaN的性能没有SiC基GaN的性能高，但硅基GaN可以充分利用硅制造工艺，而SiC基GaN则不能。这使得其在与其它技术竞争时具有成本上的优势，即使是在对成本出奇地敏感的无线基础设施市场上也是如此。

仍然会有系统选择其他技术，而非GaN技术。虽然LDMOS器件最适合于较窄的带宽，并有大约4GHz的频率限制，但该技术非常有效，能够生产出超过1 kW连续波射频输出功率的器件，并且可以在几乎根本不匹配的环境下工作，而不影响性能，甚至是在以两倍额定输入功率驱动的情况下。

例如，从纯性能角度而言，在L频段工作的雷达可以由GaN或LDMOS供电。然而，如果雷达是在天空或太空环境中工作的话，GaN MMIC解决方案不如LDMOS器件解决方案。这只是GaN并非会自动成为“灌篮高手”的众多应用之一。

GaAs分离器件和MMIC在高频段不能输出高射频功率，GaN则可以。但GaAs器件可以继续在接收路径的许多应用中发挥作用（作为低噪声放大器、可变增益放大器等），并在低功耗应用中作为驱动级或末级功率放大器。然而，一旦硅基GaN器件价格不可避免地下降（随着经济可承受能力的提高和硅晶圆厂的大量生产），它们很可能会跻身目前由GaAs占据的商业市场。

未来发展

由于GaN技术将会永久性地改变射频和微波功率生成模式，使硅和GaAs技术成为“过去”，GaN制造商们一直通过各种媒体（研讨会、研究报告等）进行宣传。但GaN并不可能是每一种系统的解决方案，无论是电子战、雷达还是无线系统。然而，当更高频率、更大宽带需要更高的射频功率电平时，GaN将成为赢家，而且其优势才刚刚显现。