Atualmente, a tecnologia de nitreto de gálio (GaN) não está mais limitada a aplicações de energia, e suas vantagens também estão se infiltrando em todos os cantos da indústria de RF/microondas, e o impacto na indústria de RF/microondas está crescendo e não deve ser subestimado , porque pode ser usado desde o espaço, radar militar até aplicações de comunicações celulares.

Embora o GaN seja altamente correlacionado com amplificadores de potência (PA), ele tem outros casos de uso. Desde o seu lançamento, o desenvolvimento do GaN foi notável e, com o advento da era 5G, pode ser mais interessante.

O papel do GaN no radar e no espaço

Duas variantes da tecnologia GaN são GaN-on-silício (GaN-on-Si) e GaN-on-silício-carboneto (GaN-on-SiC). De acordo com Damian McCann, diretor de engenharia da divisão de produtos discretos de RF/microondas da Microsemi, o GaN-on-SiC contribuiu muito para as aplicações de radar espacial e militar. Hoje, os engenheiros de RF estão procurando novas aplicações e soluções para aproveitar as vantagens do GaN-on-SiC. Os níveis cada vez maiores de desempenho de energia e eficiência alcançados pelos dispositivos, especialmente em aplicações espaciais e de radar militar.

GaN é um material semicondutor de banda larga com alta dureza, estabilidade mecânica, capacidade de calor, sensibilidade muito baixa à radiação térmica e condutividade térmica e um design melhor para vantagens de tamanho, peso e potência (SWaP). Também vemos GaN-on-SiC superando muitas tecnologias concorrentes, mesmo em frequências mais baixas.

Os projetistas de sistemas se beneficiarão da tecnologia GaN-on-SiC. PAM-XIAMENO Doutor Victor explicou que a tecnologia laminada termicamente acoplada e altamente integrada, em combinação com GaN-on-SiC, permite que os projetistas de sistemas busquem um nível mais alto de integração, especialmente para estender o radar principal para cobrir mais da mesma área física. Na banda, a função de radar de segunda ordem é adicionada. Em aplicações espaciais, a viabilidade do GaN-on-SiC tem aumentado recentemente, especialmente em aplicações onde a eficiência do GaN é complementar à capacidade de operar em frequências mais altas. A densidade de potência da onda milimétrica (mmWave) GaN traz um novo conjunto de técnicas de design que podem ser usadas para encontrar níveis mais altos de compensação. A solução deve ir além de potência e linearidade na compensação de potência, e também precisa de controle de potência. Ou corra para um nível VSWR variável. Ele também apontou que a tecnologia GaN-on-SiC pode substituir a antiga tecnologia klystron. Espera-se também que a popularidade de matrizes de varredura eletrônica ativa (AESAs) e componentes de matriz faseada em aplicações espaciais militares e comerciais atinja novos níveis de potência, mesmo para circuitos integrados de micro-ondas (MMICs) monolíticos baseados em GaN-on-SiC, disse ele. Em alguns casos, substitua a antiga tecnologia klystron. No entanto, o número limitado de fundições de pastilhas GaN-on-SiC qualificadas de 0,15 mícron é um recurso escasso no mercado e precisa de mais investimentos. Em alguns casos, substitua a antiga tecnologia klystron. No entanto, o número limitado de fundições de pastilhas GaN-on-SiC qualificadas de 0,15 mícron é um recurso escasso no mercado e precisa de mais investimentos. Em alguns casos, substitua a antiga tecnologia klystron. No entanto, o número limitado de fundições de pastilhas GaN-on-SiC qualificadas de 0,15 mícron é um recurso escasso no mercado e precisa de mais investimentos.

GaN e comunicação 5G

A tecnologia GaN não se limita a aplicações espaciais e de radar. Ela está impulsionando a inovação no campo das comunicações celulares. Qual o papel do GaN na futura rede 5G?

O Diretor de Produtos de Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) disse que espera-se que o 5G em expansão interrompa as comunicações celulares tradicionais e crie novas oportunidades para operadoras e provedores de serviços. Atualmente, o 5G está sendo planejado, com banda larga móvel (celular/tablet/laptop) transmitindo a velocidades superiores a 10 Gbps, enquanto, ao mesmo tempo, os aplicativos de Internet das Coisas (IoT) podem atingir latência ultrabaixa. O GaN está gradualmente substituindo o silício (Si) em aplicações específicas (ou seja, amplificadores de RF para estações base 4G / LTE). As implantações 5G de próxima geração usarão a tecnologia GaN e, nos primeiros dias do 5G, o GaN-on-SiC será cada vez mais usado em redes macrocelulares. O 5G introduzirá o GaN-on-Si para competir com os designs GaN-on-SiC e entrar em aplicações de pequenas células, que podem então entrar em roteadores femtocell/domésticos e até mesmo em telefones celulares. A tecnologia GaN será crítica em termos de frequências mais altas usadas pelas redes 5G. O 5G será implantado em várias bandas de frequência e possui duas faixas de frequência principais, abaixo de 6 GHz para cobertura de área ampla e 20 GHz (mmWave) ou superior para áreas de alta densidade, como estádios e aeroportos. Para atender aos rigorosos requisitos da tecnologia 5G (taxas de dados mais rápidas, baixa latência, banda larga em larga escala), novas tecnologias GaN são necessárias para alcançar frequências-alvo mais altas (ou seja, as bandas de 28 GHz e 39 GHz). Além disso, a tecnologia GaN será muito adequada para celulares 5G. Do ponto de vista técnico, o 5G apresenta um problema de atenuação, exigindo múltiplas antenas para utilizar técnicas de multiplexação espacial para melhorar a qualidade do sinal. Um chipset front-end de RF dedicado é necessário para cada antena. Comparado ao arsenieto de gálio (GaAs) e Si, GaN tem menos antenas no mesmo nível de potência. A vantagem do fator de forma resultante torna o GaN ideal para aplicativos móveis 5G.

A PAM-XIAMEN está trabalhando com as principais empresas de equipamentos e institutos de pesquisa para desenvolver o GaN-on-Si. Primeiro, uma camada epitaxial de espessura uniforme e composição estrutural uniforme deve ser depositada sobre todo o wafer, que normalmente inclui uma superrede. Os clientes também exigem um controle de interface preciso usando uma interface nítida para otimizar as características do dispositivo. Também é desejável ter zero defeitos de memória para incorporar efetivamente dopantes como Mg e Fe em uma camada específica. Em resposta a essas necessidades, uma tecnologia TurboDisc de wafer único aborda os desafios de desempenho do transistor, perda de RF, distorção harmônica e confiabilidade do dispositivo, fornecendo controle de dopante líder e uniformidade de composição, reduzindo o custo de crescimento epitaxial por wafer. Isso é obtido utilizando o controle de deposição de filme fino do sistema Propel MOCVD para obter crescimento de tampão de alta qualidade e sua capacidade de incorporar tais dopantes. Como as ferramentas e processos relacionados ainda precisam amadurecer para aumentar a capacidade de produção, o tamanho do mercado de GaN-on-Si e GaN-on-SiC é pequeno e os desafios permanecem. No entanto, com a melhoria do processo e da tecnologia dos aplicativos 5G, os casos de uso continuam. A onda tem um enorme potencial de desenvolvimento.

Além do amplificador de potência: amplificador de baixo ruído baseado em GaN

Em aplicações de RF/microondas, a tecnologia GaN é frequentemente associada a amplificadores de potência. A PAM-XIAMEN está demonstrando que o GaN tem outros casos de uso ao desenvolver um amplificador de baixo ruído (LNA) baseado na tecnologia GaN. Frequentemente nos perguntam: A tecnologia GaAs pHEMT LNA é muito madura e amplamente utilizada. Por que desenvolver uma série de GaN HEMT LNAs na frequência de microondas? A razão é simples: GaN oferece mais do que apenas baixo ruído.

Primeiro, o GaN tem maior capacidade de sobrevivência de energia de entrada e pode reduzir ou eliminar bastante os limitadores front-end normalmente associados aos GaAs pHEMT LNAs. Ao eliminar o limitador, o GaN também pode recuperar as perdas deste circuito, reduzindo ainda mais a figura de ruído. Em segundo lugar, o GaN LNA tem um ponto de interceptação de terceira ordem de saída mais alto (IP3) do que o GaAs pHEMT, o que melhora a linearidade e a sensibilidade do receptor. Uma das principais razões para o GaN ter essa vantagem sobre os processos GaAs é sua tensão de ruptura inerentemente alta. Quando o LNA está sobrecarregado, a falha do gate-drain pode causar falha. Tensões de ruptura típicas para dispositivos GaAs pHEMT variam de 5 a 15 V, limitando severamente a potência máxima de entrada de RF que esses LNAs podem suportar, enquanto a faixa de tensão de ruptura do processo GaN pode ser estendida para 50 a 100 V, permitindo níveis de potência de entrada mais altos. . Além disso, uma tensão de ruptura mais alta permite que o dispositivo GaN seja polarizado em tensões operacionais mais altas, o que se traduz diretamente em maior linearidade. Aprendemos como maximizar os benefícios do GaN e criar LNAs avançados com a menor figura de ruído, alta linearidade e alta capacidade de sobrevivência. Portanto, GaN é a tecnologia LNA preferida para todos os sistemas receptores de alto desempenho, especialmente quando os requisitos de imunidade são extremamente altos.

Em suma, a tecnologia GaN tornou-se uma grande força na indústria de RF/microondas. No futuro, à medida que a comunicação 5G amadurecer, seu papel se expandirá ainda mais. Embora GaN e PA andem de mãos dadas, não se deve perder de vista o trabalho da indústria para desenvolver LNAs usando essa tecnologia. Agora é a hora de investir energia e recursos no desenvolvimento do GaN, pois seu futuro é muito brilhante.

Sobre Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd

Encontrado em 1990, Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd (PAM-XIAMEN), um dos principais fabricantes de wafers epitaxiais VCSEL na China, seus negócios envolvem material GaN cobrindo substrato GaN , wafer epitaxial GaN .

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