À l'heure actuelle, la technologie du nitrure de gallium (GaN) n'est plus limitée aux applications de puissance, et ses avantages s'infiltrent également dans tous les coins de l'industrie RF/micro-ondes, et l'impact sur l'industrie RF/micro-ondes augmente et ne doit pas être sous-estimé , car il peut être utilisé depuis l'espace, les radars militaires jusqu'aux applications de communications cellulaires.

Bien que le GaN soit souvent fortement corrélé aux amplificateurs de puissance (PA), il a d'autres cas d'utilisation. Depuis son lancement, le développement du GaN a été remarquable, et avec l'avènement de l'ère 5G, il est peut-être plus intéressant.

Le rôle du GaN dans le radar et l'espace

Deux variantes de la technologie GaN sont le GaN sur silicium (GaN sur Si) et le GaN sur carbure de silicium (GaN sur SiC). Selon Damian McCann, directeur de l'ingénierie à la division RF/Microwave Discrete Products de Microsemi, le GaN-sur-SiC a beaucoup contribué aux applications radar spatiales et militaires. Aujourd'hui, les ingénieurs RF recherchent de nouvelles applications et solutions pour tirer parti du GaN-sur-SiC. Les niveaux sans cesse croissants de performance de puissance et d'efficacité atteints par les appareils, en particulier dans les applications radar spatiales et militaires.

Le GaN est un matériau semi-conducteur à large bande interdite avec une dureté élevée, une stabilité mécanique, une capacité thermique, une très faible sensibilité au rayonnement thermique et à la conductivité thermique, et une meilleure conception pour une meilleure taille, un meilleur poids et une meilleure puissance (SWaP). Nous voyons également GaN-sur-SiC surpasser de nombreuses technologies concurrentes, même à des fréquences plus basses.

Les concepteurs de systèmes bénéficieront de la technologie GaN-sur-SiC. PAM-XIAMENLe docteur Victor a expliqué que la technologie des stratifiés à couplage thermique et hautement intégrée, associée au GaN-sur-SiC, permet aux concepteurs de systèmes de rechercher un niveau d'intégration plus élevé, en particulier pour étendre le radar principal afin de couvrir une plus grande partie de la même zone physique. Dans la bande, la fonction radar de second ordre est ajoutée. Dans les applications spatiales, la faisabilité du GaN-sur-SiC a récemment augmenté, en particulier dans les applications où l'efficacité du GaN est complémentaire à la capacité de fonctionner à des fréquences plus élevées. La densité de puissance du GaN à ondes millimétriques (mmWave) apporte un nouvel ensemble de techniques de conception qui peuvent être utilisées pour trouver des niveaux de compensation plus élevés. La solution doit aller au-delà de la puissance et de la linéarité dans la compensation de puissance, et doit également nécessiter un contrôle de la puissance. Ou exécutez à un niveau VSWR variable. Il a également souligné que la technologie GaN-sur-SiC peut remplacer l'ancienne technologie klystron. La popularité des réseaux actifs à balayage électronique (AESA) et des composants multiéléments dans les applications spatiales militaires et commerciales devrait également atteindre de nouveaux niveaux de puissance, même pour les circuits intégrés micro-ondes monolithiques (MMIC) à base de GaN-sur-SiC, a-t-il déclaré. Remplacer dans certains cas la technologie vieillissante des klystrons. Cependant, le nombre limité de fonderies de plaquettes GaN-sur-SiC qualifiées de 0,15 micron est une ressource rare sur le marché et nécessite des investissements supplémentaires. Remplacer dans certains cas la technologie vieillissante des klystrons. Cependant, le nombre limité de fonderies de plaquettes GaN-sur-SiC qualifiées de 0,15 micron est une ressource rare sur le marché et nécessite des investissements supplémentaires. Remplacer dans certains cas la technologie vieillissante des klystrons. Cependant, le nombre limité de fonderies de plaquettes GaN-sur-SiC qualifiées de 0,15 micron est une ressource rare sur le marché et nécessite des investissements supplémentaires.

Communications GaN et 5G

La technologie GaN ne se limite pas aux applications spatiales et radar. Il est le moteur de l'innovation dans le domaine des communications cellulaires. Quel rôle joue le GaN dans le futur réseau 5G ?

Le directeur de produit MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) a déclaré que l'essor de la 5G devrait perturber les communications cellulaires traditionnelles et créer de nouvelles opportunités pour les opérateurs et les fournisseurs de services. La 5G est actuellement en cours de planification, le haut débit mobile (mobile/tablette/ordinateur portable) transmettant à des vitesses supérieures à 10 Gbit/s, tandis que dans le même temps, les applications de l'Internet des objets (IoT) peuvent atteindre une latence ultra-faible. Le GaN remplace progressivement le silicium (Si) dans des applications spécifiques (c'est-à-dire les amplificateurs RF pour les stations de base 4G / LTE). Les déploiements 5G de nouvelle génération utiliseront la technologie GaN, et dans les premiers jours de la 5G, le GaN-sur-SiC sera de plus en plus utilisé dans les réseaux macrocellulaires. La 5G introduira GaN-on-Si pour concurrencer les conceptions GaN-on-SiC et entrer dans les applications de petites cellules, qui peuvent ensuite entrer dans les routeurs femtocell/domestiques et même les téléphones portables. La technologie GaN sera critique en termes de fréquences plus élevées utilisées par les réseaux 5G. La 5G sera déployée dans plusieurs bandes de fréquences et dispose de deux gammes de fréquences principales, inférieures à 6 GHz pour une couverture étendue et 20 GHz (mmWave) ou plus pour les zones à haute densité telles que les stades et les aéroports. Pour répondre aux exigences strictes de la technologie 5G (débits de données plus rapides, faible latence, large bande à grande échelle), de nouvelles technologies GaN sont nécessaires pour atteindre des fréquences cibles plus élevées (c'est-à-dire les bandes 28 GHz et 39 GHz). De plus, la technologie GaN sera très adaptée aux téléphones mobiles 5G. D'un point de vue technique, la 5G a un problème d'atténuation, obligeant plusieurs antennes à utiliser des techniques de multiplexage spatial pour améliorer la qualité du signal. Un chipset frontal RF dédié est requis pour chaque antenne. Par rapport à l'arséniure de gallium (GaAs) et au Si, GaN a moins d'antennes au même niveau de puissance. L'avantage du facteur de forme qui en résulte rend le GaN idéal pour les applications mobiles 5G.

PAM-XIAMEN travaille avec des sociétés d'équipement et des instituts de recherche de premier plan pour développer GaN-on-Si. Tout d'abord, une couche épitaxiale d'épaisseur uniforme et de composition structurelle uniforme doit être déposée sur toute la tranche, qui comprend typiquement un super-réseau. Les clients ont également besoin d'un contrôle d'interface précis à l'aide d'une interface pointue pour optimiser les caractéristiques de l'appareil. Il est également souhaitable d'avoir zéro défaut de mémoire pour incorporer efficacement des dopants tels que Mg et Fe dans une couche particulière. En réponse à ces besoins, une technologie TurboDisc à plaquette unique relève les défis de la performance des transistors, de la perte RF, de la distorsion harmonique et de la fiabilité des dispositifs, offrant un contrôle de dopage et une uniformité de composition de pointe tout en réduisant le coût de croissance épitaxiale par plaquette. Ceci est réalisé en utilisant le contrôle de dépôt de couche mince du système Propel MOCVD pour obtenir une croissance de tampon de haute qualité et sa capacité à incorporer de tels dopants. Comme les outils et procédés associés doivent encore mûrir pour augmenter la capacité de production, la taille du marché du GaN-sur-Si et du GaN-sur-SiC est petite et les défis demeurent. Cependant, avec l'amélioration des processus et de la technologie des applications 5G, les cas d'utilisation se poursuivent. L'essor a un énorme potentiel de développement.

Au-delà de l'amplificateur de puissance : amplificateur à faible bruit à base de GaN

Dans les applications RF/micro-ondes, la technologie GaN est souvent associée à des amplificateurs de puissance. PAM-XIAMEN démontre que le GaN a d'autres cas d'utilisation en développant un amplificateur à faible bruit (LNA) basé sur la technologie GaN. On nous demande souvent : la technologie GaAs pHEMT LNA est très mature et largement utilisée. Pourquoi développer une série de LNA GaN HEMT à fréquence micro-onde ? La raison est simple : le GaN offre plus qu'un faible bruit.

Premièrement, le GaN a une plus grande capacité de survie à la puissance d'entrée et peut réduire considérablement ou éliminer les limiteurs frontaux généralement associés aux LNA pHEMT GaAs. En supprimant le limiteur, le GaN peut également récupérer les pertes de ce circuit, réduisant encore le facteur de bruit. Deuxièmement, le LNA GaN a un point d'interception de troisième ordre (IP3) de sortie plus élevé que le pHEMT GaAs, ce qui améliore la linéarité et la sensibilité du récepteur. L'une des principales raisons pour lesquelles GaN a cet avantage par rapport aux procédés GaAs est sa tension de claquage intrinsèquement élevée. Lorsque le LNA est surchargé, une panne grille-drain peut provoquer une panne. Tensions de claquage typiques pour les dispositifs GaAs pHEMT allant de 5 à 15 V, limitant sévèrement la puissance d'entrée RF maximale que ces LNA peuvent supporter, tandis que la plage de tension de claquage du processus GaN peut être étendue à 50 à 100 V, permettant des niveaux de puissance d'entrée plus élevés. . De plus, une tension de claquage plus élevée permet au dispositif GaN d'être polarisé à des tensions de fonctionnement plus élevées, ce qui se traduit directement par une linéarité plus élevée. Nous avons appris à maximiser les avantages du GaN et à créer des LNA avancés avec le facteur de bruit le plus faible, une linéarité élevée et une capacité de survie élevée. Par conséquent, le GaN est la technologie LNA préférée pour tous les systèmes de réception hautes performances, en particulier lorsque les exigences d'immunité sont extrêmement élevées.

Dans l'ensemble, la technologie GaN est devenue une force majeure dans l'industrie RF/micro-ondes. À l'avenir, à mesure que la communication 5G mûrira, son rôle s'élargira encore. Bien que GaN et PA vont de pair, il ne faut pas perdre de vue le travail de l'industrie pour développer des LNA utilisant cette technologie. Il est maintenant temps d'investir de l'énergie et des ressources dans le développement du GaN, car son avenir est très prometteur.

À propos de Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd

Fondée en 1990, Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd (PAM-XIAMEN), l'un des principaux fabricants de plaquettes épitaxiales VCSEL en Chine, son activité concerne le matériau GaN couvrant le substrat GaN, la plaquette épitaxiale GaN .

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