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GaN:适合5G应用的高频衬底材料(1)

时间:2018-11-19 作者:Busy Blogger 阅读:
GaN(氮化镓)是一种较新的衬底材料,非常适合高性能的电子应用,特别是在高频方面,比如5G应用。本系列文章将分成多个部分,深入探讨这项技术的优势及其研究成果和应用进展。

 GaN材料是一种非常有前景的衬底,特别适合5G应用。纽约大学的学生在美国弗吉尼亚州进行的一项实验证实了这一点(见图1):

“(2016年)夏天,一群来自纽约大学的学生在一个不太可能的地方,对一项关键的5G技术进行了重要的试验。8月,他们驾驶一辆装满无线电设备的货车,开了10小时来到弗吉尼亚州西南部的乡村小镇Riner。令人高兴的是,他们发现无线电波在这样的乡村环境中,即使有小山或一片树林挡住了直接通往接收器的传输路线,也可以传输超过10km。这一小组在发射器视距范围内、距离高达10.8km远的14个站点处探测到毫米波,并在距离高达10.6km远的17个地方(其接收器被掩盖在山丘或绿树成荫的小树林后面)将它们记录下来。他们在73GHz的广播频率上实现了这一切,而且功耗低至1W以下。”

编者按:图1拍摄于Ted Rappaport教授在弗吉尼亚州的家中。若要想了解Rappaport教授家中举办的另一场精彩的业余无线电活动,请参阅另一篇EDN文章:《Having a Field Day(户外日)》。

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图1:纽约大学学生进行的一项5G实验表明,5G技术在远距离传输方面非常强大,而且浪费的功率很小。(资料来源:纽约大学)

许多研究已经证明,GaN这种材料是5G高频应用的理想解决方案,如下所示(见图2):

“像SiC或GaN这样的宽带隙半导体具有高电子迁移率和宽带隙能量。因此,这类功率器件可在高电压和高温环境下工作,比如在汽车应用中。特别地,与SiC相比,GaN具有更高的介电强度和更高的电子迁移率。因此,GaN材料的Baliga品质因数和Baliga高频品质因数都大于SiC。这表明GaN功率器件具有优异的性能。”(来源:ResearchGate)

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图2:两种不同的GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)结构。(来源:《Which are the Future GaN Power Devices for Automotive Applications, Lateral Structures or Vertical Structures?(哪种会成为未来汽车应用用GaN功率器件,横向结构还是垂直结构?)》,作者:Tsutomu Uesugi和Tetsu Kachi)

利用GaN材料作为电力电子器件的衬底不单单局限于学术界,许多微电子领域的大公司也在投资研究GaN解决方案。例如,该领域的两大巨头ST和MACOM公司,最近宣布合作开发基于GaN衬底的射频功率器件

“MACOM公司(NASDAQ: MTSI)(“MACOM”)是一家高性能射频、微波、毫米波和光波半导体产品的领先供应商,而ST公司(NYSE: STM)是一家服务于全球多个行业的半导体领导厂商。两家公司今天宣布达成一项合作协议,共同开发硅基GaN(氮化镓)器件——晶圆将由ST负责制造,用于MACOM的一系列射频应用。除了扩大MACOM的供应来源外,该合作协议还许可ST在某些RF市场制造和销售自己的硅基GaN产品,但移动电话、无线基站和相关商业电信基础设施应用市场除外。通过这一合作,MACOM期望获得更高的硅晶圆制造能力和更低的成本结构,有望取代现有的硅LDMOS,并加速硅基GaN进入主流市场。ST和MACOM已经合作多年,硅基GaN器件将在ST的CMOS晶圆厂量产。按照目前的计划,预计ST的样品生产将于2018年开始。”(来源:st.com

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