GaN：适合5G应用的高频衬底材料

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GaN材料是一种较新的衬底，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。由于这种材料具有优异的性能，因此用GaN器件来设计电子电路会非常有吸引力：利用GaN作为高频功率放大器的衬底，可以为电源管理带来更高的效率并实现更宽的宽带。
GaN（氮化镓）材料是一种较新的衬底，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。由于这种材料具有优异的性能，因此用GaN器件来设计电子电路会非常有吸引力：利用GaN作为高频功率放大器的衬底，可以为电源管理带来更高的效率并实现更宽的宽带。这种方法在效率和线性度方面是一种非常好的解决方案，正如最近的一篇文章指出：

“宽带、线性、高效输出回退模式的RF功率放大器（RFPA）的设计方法，强调了最小化设计不确定性的重要性。采用这种方法，通过首次设计即可实现建模和测量性能之间的良好一致性。对频率范围从1.5到2.8GHz的线性RFPA的需求，推动了在输出回退模式下工作的宽带、线性和高效RFPA的新设计方法。提高PA效率一直是设计人员面临的挑战，部分原因在于谐波负载阻抗控制不佳。在微波频率下测量波形的难度，使得是否能达到最佳波形整形难以确定。当较低工作频率的谐波位于工作频段时，宽带设计会带来额外的挑战。这些固有的困难再加上不精确的设计，使得问题变得更为复杂，会导致多次耗时、昂贵的重复迭代。使用商用的分立式10W SiC基GaN封装，采用0.25μm工艺制造的高电子迁移率晶体管（Qorvo的T2G6000528）和20mil的RO4350B印制电路板，即可证明这种设计方法的有效性。据此设计和制造的RFPA在其工作带宽上，实现了大于40dBm的峰值功率和高于54%的峰值漏极效率。在回退模式下，当采用2.0-2.5GHz频带的2.5MHz、9.5dB峰均比（PAPR）的COFDM信号驱动时，RFPA可以达到30dBc的未校正线性度，以及34%或更高的漏极效率。”（来源：《Microwave Journal（微波杂志）》）

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图1：使用GaN材料构建的RF功率放大器的“分布式负载网络损耗和匹配（a），以及换能器和工作功率增益与频率的关系（b）”。（来源：《Designing A Broadband, Highly Efficient, GaN RF Power Amplifier（设计一种宽带、高效率的GaN射频功率放大器）》，作者：英国利兹SARAS技术公司J. Brunning和R. Rayit）

在电子应用中使用GaN衬底不仅适用于RF应用，最近AEC标准规范也选择将该材料用于汽车应用：

“加拿大初创公司GaN Systems在今年的PCIM展会上宣布与罗姆（ROHM）达成合作协议，这引起了业界极大的关注。Nick Flaherty与该公司首席执行官Jim Witham的交谈如下：

“......几家供应商现已宣布GaN器件达到AEC认证标准。‘我们为所有汽车制造商提供了详细的AEC Q+测试流程，他们都有测试结果。’Witham说道。然而，GaN是一种使能技术，从消费类设计领域的无线充电器到数据中心的高效转换器，需要广泛的产品组合支持。‘我们采取的方法是，针对从25W至25kW的任何电源系统设计开发基本的构件。’他表示。”（来源：GaN Systems）

汽车环境对IC的性能和稳健性要求很高。GaN材料的性能及其与硅和SiC材料在通态电阻与击穿电压关系方面的比较如图2所示。

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图2：“硅基功率晶体管将要达到电力电子行业的工作频率、击穿电压和功率密度的极限，而GaN的性能开始大放异彩。硅绝不会灭绝，但能源需求会不断增加，因此需要研究/使用新的方法和材料来满足这些需求