Allo stato attuale, la tecnologia del nitruro di gallio (GaN) non è più limitata alle applicazioni di potenza e i suoi vantaggi si stanno infiltrando anche in tutti gli angoli dell'industria RF/microonde e l'impatto sull'industria RF/microonde è in crescita e non deve essere sottovalutato , perché può essere utilizzato dallo spazio, dal radar militare alle applicazioni di comunicazione cellulare.

Sebbene GaN sia spesso altamente correlato con gli amplificatori di potenza (PA), ha altri casi d'uso. Dal suo lancio, lo sviluppo del GaN è stato notevole e, con l'avvento dell'era 5G, potrebbe essere più interessante.

Il ruolo del GaN nel radar e nello spazio

Due varianti della tecnologia GaN sono GaN su silicio (GaN su Si) e GaN su carburo di silicio (GaN su SiC). Secondo Damian McCann, direttore dell'ingegneria presso la divisione RF/Microwave Discrete Products di Microsemi, il GaN-on-SiC ha contribuito moltissimo alle applicazioni radar spaziali e militari. Oggi, gli ingegneri RF sono alla ricerca di nuove applicazioni e soluzioni per sfruttare il GaN-on-SiC. I livelli sempre crescenti di prestazioni di potenza ed efficienza raggiunte dai dispositivi, soprattutto nelle applicazioni radar spaziali e militari.

GaN è un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita con elevata durezza, stabilità meccanica, capacità termica, sensibilità molto bassa alle radiazioni termiche e conduttività termica e un design migliore per vantaggi di dimensioni, peso e potenza (SWaP) migliori. Vediamo anche che GaN-on-SiC supera molte tecnologie concorrenti, anche a frequenze più basse.

I progettisti di sistemi beneficeranno della tecnologia GaN-on-SiC. PAM XIAMENIl dottor Victor ha spiegato che la tecnologia laminata accoppiata termicamente e altamente integrata, in combinazione con GaN-on-SiC, consente ai progettisti di sistemi di cercare un livello di integrazione più elevato, in particolare per estendere il radar principale per coprire più della stessa area fisica. Nella banda viene aggiunta la funzione radar di secondo ordine. Nelle applicazioni spaziali, la fattibilità del GaN-on-SiC è recentemente aumentata, soprattutto nelle applicazioni in cui l'efficienza del GaN è complementare alla capacità di operare a frequenze più elevate. La densità di potenza dell'onda millimetrica (mmWave) GaN offre una nuova serie di tecniche di progettazione che possono essere utilizzate per trovare livelli più elevati di compensazione. La soluzione deve andare oltre la potenza e la linearità nella compensazione della potenza e necessitare anche del controllo della potenza. Oppure corri a un livello VSWR variabile. Ha anche sottolineato che la tecnologia GaN-on-SiC può sostituire la vecchia tecnologia klystron. Si prevede inoltre che la popolarità degli array attivi a scansione elettronica (AESA) e dei componenti phased array nelle applicazioni spaziali militari e commerciali raggiungerà nuovi livelli di potenza, anche per i circuiti integrati monolitici a microonde (MMIC) basati su GaN-on-SiC, ha affermato. In alcuni casi sostituiscono la vecchia tecnologia klystron. Tuttavia, il numero limitato di fonderie qualificate di wafer GaN-on-SiC da 0,15 micron è una risorsa scarsa sul mercato e necessita di ulteriori investimenti. In alcuni casi sostituiscono la vecchia tecnologia klystron. Tuttavia, il numero limitato di fonderie qualificate di wafer GaN-on-SiC da 0,15 micron è una risorsa scarsa sul mercato e necessita di ulteriori investimenti. In alcuni casi sostituiscono la vecchia tecnologia klystron. Tuttavia, il numero limitato di fonderie qualificate di wafer GaN-on-SiC da 0,15 micron è una risorsa scarsa sul mercato e necessita di ulteriori investimenti.

Comunicazione GaN e 5G

La tecnologia GaN non si limita alle applicazioni spaziali e radar. Sta guidando l'innovazione nel campo delle comunicazioni cellulari. Che ruolo gioca il GaN nella futura rete 5G?

Il direttore del prodotto Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) ha affermato che il boom del 5G dovrebbe interrompere le comunicazioni cellulari tradizionali e creare nuove opportunità per operatori e fornitori di servizi. Il 5G è attualmente in fase di pianificazione, con la banda larga mobile (mobile/tablet/laptop) che trasmette a velocità superiori a 10 Gbps, mentre allo stesso tempo le applicazioni Internet of Things (IoT) possono raggiungere una latenza estremamente bassa. Il GaN sta gradualmente sostituendo il silicio (Si) in applicazioni specifiche (es. amplificatori RF per stazioni base 4G/LTE). Le implementazioni 5G di prossima generazione utilizzeranno la tecnologia GaN e, nei primi giorni del 5G, GaN-on-SiC sarà sempre più utilizzato nelle reti macrocellulari. Il 5G introdurrà GaN-on-Si per competere con i progetti GaN-on-SiC ed entrare in applicazioni di piccole celle, che potrebbero quindi entrare in femtocell/router domestici e persino telefoni cellulari. La tecnologia GaN sarà fondamentale in termini di frequenze più elevate utilizzate dalle reti 5G. Il 5G sarà implementato in più bande di frequenza e ha due gamme di frequenza principali, inferiori a 6 GHz per la copertura di un'ampia area e 20 GHz (mmWave) o superiori per aree ad alta densità come stadi e aeroporti. Per soddisfare i severi requisiti della tecnologia 5G (velocità dati più elevate, bassa latenza, banda larga su larga scala), sono necessarie nuove tecnologie GaN per raggiungere frequenze target più elevate (ovvero le bande da 28 GHz e 39 GHz). Inoltre, la tecnologia GaN sarà molto adatta per i telefoni cellulari 5G. Da un punto di vista tecnico, il 5G ha un problema di attenuazione, richiedendo a più antenne di utilizzare tecniche di multiplexing spaziale per migliorare la qualità del segnale. Per ogni antenna è necessario un chipset front-end RF dedicato. Rispetto all'arseniuro di gallio (GaAs) e Si, GaN ha meno antenne allo stesso livello di potenza. Il vantaggio del fattore di forma risultante rende GaN ideale per le applicazioni mobili 5G.

PAM-XIAMEN sta collaborando con le principali società di apparecchiature e istituti di ricerca per sviluppare GaN-on-Si. In primo luogo, uno strato epitassiale di spessore uniforme e composizione strutturale uniforme deve essere depositato sull'intero wafer, che tipicamente include un superreticolo. I clienti richiedono anche un controllo preciso dell'interfaccia utilizzando un'interfaccia nitida per ottimizzare le caratteristiche del dispositivo. È anche desiderabile avere zero difetti di memoria per incorporare efficacemente droganti come Mg e Fe in un particolare strato. In risposta a queste esigenze, una tecnologia TurboDisc a wafer singolo affronta le sfide delle prestazioni dei transistor, della perdita RF, della distorsione armonica e dell'affidabilità del dispositivo, fornendo un controllo del drogante e un'uniformità compositiva leader riducendo al contempo il costo di crescita epitassiale per wafer. Ciò si ottiene utilizzando il controllo della deposizione del film sottile del sistema Propel MOCVD per ottenere una crescita del tampone di alta qualità e la sua capacità di incorporare tali droganti. Poiché gli strumenti e i processi correlati devono ancora maturare per aumentare la capacità di produzione, la dimensione del mercato di GaN-on-Si e GaN-on-SiC è ridotta e le sfide rimangono. Tuttavia, con il miglioramento del processo e della tecnologia delle applicazioni 5G, i casi d'uso continuano. L'ondata ha un enorme potenziale di sviluppo.

Oltre l'amplificatore di potenza: amplificatore a basso rumore basato su GaN

Nelle applicazioni RF/microonde, la tecnologia GaN è spesso associata agli amplificatori di potenza. PAM-XIAMEN sta dimostrando che GaN ha altri casi d'uso sviluppando un amplificatore a basso rumore (LNA) basato sulla tecnologia GaN. Spesso ci viene chiesto: la tecnologia GaAs pHEMT LNA è molto matura e ampiamente utilizzata. Perché sviluppare una serie di LNA GaN HEMT alla frequenza delle microonde? Il motivo è semplice: il GaN offre più di un semplice basso rumore.

Innanzitutto, il GaN ha una maggiore capacità di sopravvivenza della potenza in ingresso e può ridurre notevolmente o eliminare i limitatori front-end tipicamente associati agli LNA pHEMT GaAs. Eliminando il limitatore, il GaN può anche recuperare le perdite di questo circuito, riducendo ulteriormente la cifra di rumore. In secondo luogo, il GaN LNA ha un punto di intercettazione di terzo ordine (IP3) di uscita più elevato rispetto al GaAs pHEMT, che migliora la linearità e la sensibilità del ricevitore. Uno dei motivi principali per cui GaN ha questo vantaggio rispetto ai processi GaAs è la sua tensione di rottura intrinsecamente elevata. Quando l'LNA è sovraccarico, il guasto del gate-drain può causare guasti. Tipiche tensioni di rottura per dispositivi GaAs pHEMT gamma da 5 a 15 V, limitando fortemente la potenza di ingresso RF massima che questi LNA possono sopportare, mentre la gamma di tensione di rottura del processo GaN può essere estesa da 50 a 100 V, consentendo livelli di potenza di ingresso più elevati. . Inoltre, una tensione di rottura più elevata consente di polarizzare il dispositivo GaN a tensioni operative più elevate, il che si traduce direttamente in una maggiore linearità. Abbiamo imparato come massimizzare i vantaggi del GaN e creare LNA avanzati con la figura di rumore più bassa, un'elevata linearità e un'elevata capacità di sopravvivenza. Pertanto, GaN è la tecnologia LNA preferita per tutti i sistemi di ricezione ad alte prestazioni, specialmente quando i requisiti di immunità sono estremamente elevati.

Tutto sommato, la tecnologia GaN è diventata una forza importante nel settore RF/microonde. In futuro, con la maturazione della comunicazione 5G, il suo ruolo si espanderà ulteriormente. Sebbene GaN e PA vadano di pari passo, non bisogna perdere di vista il lavoro del settore per sviluppare LNA utilizzando questa tecnologia. Ora è il momento di investire energie e risorse nello sviluppo del GaN, perché il suo futuro è molto roseo.

Informazioni su Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd

Fondata nel 1990, Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd (PAM-XIAMEN), uno dei principali produttori di wafer epitassiali VCSEL in Cina, la sua attività coinvolge materiale GaN che copre il substrato GaN, wafer epitassiale GaN .

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