[原创] GaN步步紧逼,LDMOS路在何方?

2019-01-15
14:00:10
来源: 半导体行业观察

在射频和功率应用中,氮化镓(GaN)技术正在变得日益盛行。

GaN器件分为射频器件和电力电子器件,射频器件产品包括PA、 LNA、开关器、 MMIC等,面向基站卫星、雷达等市场;电力电子器件产品包括SBD、常关型FET、常开型FET、级联FET等产品,面向无线充电、电源开关、包络跟踪、逆变器、变流器等市场。

而按工艺分,GaN器件则分为HEMT、HBT射频工艺和SBD、Power FET电力电子器件工艺两大类。

今天,几乎没有人会质疑GaN技术对射频/微波产业的影响。但随着GaN受到如此多的关注,传统高压应用的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术会情何以堪?LDMOS是否会被排挤到一边而无人问津呢?

在回答这个问题之前,我们先来看一看射频应用的主要工艺技术。

目前,射频市场主要有三种工艺:GaAs,基于Si的LDMOS,以及GaN 工艺。GaAs器件的缺点是器件功率较低,通常低于50W。LDMOS器件的缺点是工作频率存在极限,最高有效频率在3GHz以下。GaN则弥补了GaAs和Si基LDMOS这两种传统技术的缺陷,在体现GaAs高频性能的同时,结合了Si基LDMOS的功率处理能力。

在射频PA市场,LDMOS PA带宽会随着频率的增加而大幅减少,仅在不超过约3.5GHz 的频率范围内有效,采用0.25微米工艺的GaN器件频率可以达到其4倍,带宽可增加20%,功率密度可达 6~8 W/mm(LDMOS 为 1~2W/mm),且无故障工作时间可达 100 万小时,更耐用,综合性能优势明显。

5G带动GaN崛起

传统上,LDMOS技术在无线基础设施领域占主导地位,但这种情况是否正在发生变化?这个问题的答案是肯定的。

由于5G需要大规模MIMO和Sub-6GHz部署,需要使用毫米波(mmWave)频谱。而这将要面对一系列的挑战,具体就不在这里赘述了。

GaN技术可以在sub-6GHz 5G应用中发挥重要作用,有助于实现更高数据速率等目标。高输出功率、线性度和功耗要求正在推动基站和网络OEM部署的PA从使用LDMOS技术转换到GaN。GaN为5G sub-6GHz大规模MIMO基站应用提供了多种优势:

1、GaN在3.5GHz及以上频率下表现良好,而LDMOS在这些高频下受到挑战。

2、GaN具有高击穿电压,高电流密度,高过渡频率,低导通电阻和低寄生电容。这些特性可转化为高输出功率、宽带宽和高效率。

3、采用Doherty PA配置的GaN在100 W输出功率下的平均效率达到50%~60%,显着降低了发射功耗。

4、GaN PA的高功率密度可实现需要较少印刷电路板(PCB)空间的小尺寸。

5、在Doherty PA配置中使用GaN允许使用四方扁平无引线(QFN)塑料封装而不是昂贵的陶瓷封装。

6、GaN在高频和宽带宽下的效率意味着大规模MIMO系统可以更紧凑。GaN可在较高的工作温度下可靠运行,这意味着它可以使用更小的散热器。这样可以实现更紧凑的外形。

构建RF前端(RFFE)以支持这些新的sub-6GHz 5G应用将是一项挑战。RFFE对系统的功率输出、选择性和功耗至关重要。复杂性和更高的频率范围推动了对RFFE集成、尺寸减小、更低功耗、高输出功率、更宽带宽、改善线性度和增加接收器灵敏度的需求。此外,收发器、RFFE和天线之间的耦合要求更严格。

5G sub-6GHz RFFE的一些目标,以及GaN PA如何帮助实现这些目标呢?具体包括如下:

1、更高的频率和更高的带宽: 5G使用比4G更高的频率,并且需要更宽的分量载波带宽(高达100 MHz)。GaN-on-silicon-carbide(GaN-on-SiC)Doherty PA在这些频率下实现比LDMOS更宽的带宽和更高的功率附加效率(PAE)。GaN器件的更高效率,更高输出阻抗和更低寄生电容允许更容易的宽带匹配和扩展到非常高的输出功率。

2、在更高数据速率下的高功率效率: GaN具有软压缩特性,使其更容易预失真和线性化。因此,它更容易用于数字预失真(DPD)高效应用。GaN能够在多个蜂窝频段上运行,帮助网络运营商部署载波聚合以增加频谱并创建更大的数据管道以增加网络容量。

3、最大限度地降低系统功耗:我们如何满足5G的高数据率要求?我们需要更多基础设施,例如数据中心,服务器和小型蜂窝。这意味着网络功耗的整体增加,从而推动了对系统效率和整体功率节省的需求,这似乎很难。同样,GaN可以通过提供高输出功率以及提高基站效率来提供解决方案。

下图显示了一个示例性sub-6GHz RFFE的框图,该RFFE使用了Doherty PA设计来实现高效率。

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在新产品方面,2018 年12月, Qorvo发布了行业首款28GHz的GaN前端模块QPF4001, 其在单个 MMIC 中集成了高线性度 LNA、低损耗发射/接收开关和高增益、高效率多级PA。

针对5G基站架构中间隔28 GHz 的相控阵元件,对紧凑型的5×4毫米气腔层表贴封装进行了优化。据悉,该模块采用了高效率的0.15微米GaN-on-SiC技术。

LDMOS依然有优势

那么,行业对GaN的重视,是否意味着LDMOS不再具有应用前景了呢?事实似乎并非如此,因为LDMOS仍然可以在其它应用中寻找乐园。当然,选择合适的技术取决于手头的具体应用,而在很多情况下,LDMOS仍然是可行的方案。

以雷达应用为例,在选择工艺时必须考虑不同晶体管技术的优缺点。而对于大功率应用,关键是要根据实际应用要求来决定了使用的工艺技术,而LDMOS就是这些技术之一。

高功率放大器(HPA)通常用于国防、航空航天和气象雷达等,从早期的分立或集成RF功率晶体管开始,一直到现在,已经有好几种有源器件半导体技术用于放大脉冲和连续波(CW)信号,从HF / VHF / UHF到L-,S-,C-和X-波段的频率。

而用于RF /微波HPA的晶体管包括传统的硅双极和硅VDMOS等功率晶体管,以及更新近的 LDMOS和氮化镓等技术,另外还有碳化硅(SiC或GaN-on-SiC)高电子迁移率晶体管(HEMT)。根据频率、带宽和其他要求,每种晶体管技术都可以在输出功率、增益和性能方面提供各自的性能优势。

其中,LDMOS是一种比双极晶体管更新的技术,广泛应用于高线性通信以及宽带CW放大器,也是L波段脉冲应用的绝佳选择。

LDMOS非常适合长脉冲和高占空比应用,因为它具有非常低的每瓦特热阻,这也提升了其出色的VSWR耐受特性。然而,与双极和GaN HEMT功率管相比,LDMOS的最大不足之处就是功率效率较差。

但是,与LDMOS相比,GaN HEMT的一个最大缺点就是:它是耗尽型器件,这意味着它不仅需要电压供应,还必须在漏极电压之前施加栅极电压。

选择正确的晶体管技术

应该根据实际应用的要求,例如波形类型、频率、带宽和输出功率水平等来选定功率放大器所需的类型。

如在S波段及以上,SIC基的GaN HEMT真的是唯一选择,而介于两者之间的话,主要挑战就是平衡成本与性能,这方面做起来很难。下图总结了三种晶体管的优缺点,以及在雷达应用中选择时的考量因素。

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图:雷达应用中射频功率晶体管的比较及选择

虽然GaN来势汹汹,但LDMOS仍然有强劲的应用需求,而相应的新产品也在不断涌现,如恩智浦的MRFX系列高功率产品就是其中之一,MRFX系列基于65-LDMOS技术,该公司称该技术具有许多优势。

结语

LDMOS要“死”了吗?答案很响亮:“不”。虽然受到了以GaN为代表的新技术的挑战与冲击,使得LDMOS可能没有它曾经拥有的辉煌了,但在可预见的未来,该技术仍然会存活下去,而且还会活得很好。

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