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。

其中一种技术是硅上氮化镓（GaN on Si）。这项技术之所以令人感兴趣，是因为它有可能将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的比较。图片由Kemet提供
 

最近，意法半导体宣布，与MACOM技术解决方案公司合作，成功生产了硅上射频氮化镓原型。

本文将介绍硅上GaN技术，它在射频应用中的潜力，以及ST和MACOM的消息。

 

GaN和可能的射频挑战

有充分的证据表明，诸如GaN之类的WBG半导体是在未来的RF和功率电子中实现高功率效率的最有前途的技术之一。

GaN由于其材料特性，如：

  • 大带隙
  • 高电子饱和速度
  • 大击穿场
  • 高机动性

总之，这些特性可以提供高效、耐热和可靠性的显著性能优势，而不是传统的硅解决方案。

 

Structure of a GaN HEMT.

GaN HEMT的结构。图像由STMicroelectronics提供

 

例如，在RF应用中，GaN产品的性能远远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。有了GaN，RF PA可以实现更高的输出功率和效率，从而实现更小、更高性能的5G和6G硬件。

然而，GaN面临的一个显著挑战是，它没有像Si那样受益于规模经济。由于硅的研究非常深入，并且已经商业化了几十年，硅产品的制造工艺允许高容量和低成本的产品，即使是在复杂的技术节点上。

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Si提供的相同成本。

 

硅上GaN——一种GaN制造解决方案

为了解决这个问题，许多人已经转向硅上GaN技术。

硅上GaN是一种制造工艺，其中GaN器件可以直接生长在传统的硅衬底上。在该工艺中，GaN外延层生长在Si衬底的顶部，从而允许现有的硅制造基础设施以低成本大规模生产GaN器件。

 

Example GaN-on-Si manufacturing process for photonics.

用于光子学的硅上GaN制造工艺的示例。图片由Xiong等人提供

 

然而，这一过程并非没有挑战。事实证明，由于两种材料的晶格结构不匹配，从Si衬底中生长高质量的GaN非常困难。因此，硅上GaN目前还不能广泛用于射频，但该行业仍在该技术上投入巨资。

 

ST和MACOM合作开发硅上射频GaN

本周，ST和MACOM宣布成功生产硅基射频氮化镓原型，成为行业头条新闻。

虽然关于这一消息没有太多明确的细节，但这些公司声称，他们开发的原型晶圆和器件的成本和性能与传统LDMOS解决方案相当。随着这些原型的成功生产，他们计划在2022年内将产品进入资格鉴定和工业化阶段。

这一消息可能意义重大，因为它代表了该领域的主要参与者在硅上GaN技术方面的共同努力并取得了成功。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。

最终，这一成就可以使工程师们有望以更低的成本利用更好的性能，从而获得更好的电路、系统和产品。