現在、窒化ガリウム (GaN) 技術はもはや電力用途に限定されておらず、その利点は RF/マイクロ波産業の隅々にも浸透しており、RF/マイクロ波産業への影響は拡大しており、過小評価してはなりません。 、宇宙、軍用レーダーからセルラー通信アプリケーションまで使用できるためです。

GaN はパワーアンプ (PA) との相関性が高いことが多いですが、別の使用例もあります。発売以来、GaNの発展はめざましく、5G時代の到来とともに、より興味深いものになるかもしれません。

レーダーと宇宙におけるGaNの役割

GaN 技術の 2 つの変形は、GaN オン シリコン(GaN オン Si) とGaN オン シリコン カーバイド(GaN オン SiC) です。Microsemi の RF/Microwave Discrete Products Division のエンジニアリング ディレクターである Damian McCann 氏によると、GaN-on-SiC は宇宙および軍用レーダー アプリケーションに大きく貢献しています。今日、RF エンジニアは、GaN-on-SiC を活用するための新しいアプリケーションとソリューションを探しています。特に宇宙および軍用レーダー アプリケーションにおいて、デバイスによって達成される電力と効率のパフォーマンスのレベルはますます向上しています。

GaN は、高い硬度、機械的安定性、熱容量、熱放射および熱伝導率に対する非常に低い感度、およびより優れたサイズ、重量、電力 (SWaP) のための優れた設計を備えたワイドバンドギャップ半導体材料です。また、GaN-on-SiC は、より低い周波数でも多くの競合技術を凌駕しています。

システム設計者は、GaN-on-SiC 技術から恩恵を受けるでしょう。パム厦門ビクター博士は、熱的に結合された高度に統合されたラミネート技術を GaN-on-SiC と組み合わせることで、システム設計者はより高いレベルの統合を追求でき、特にメイン レーダーを拡張して同じ物理領域をより多くカバーできるようになると説明しました。バンドには二次レーダー機能が追加されています。宇宙アプリケーションでは、GaN-on-SiC の実現可能性が最近高まっており、特に GaN の効率がより高い周波数で動作する能力を補完するアプリケーションで顕著です。ミリ波 (mmWave) GaN の電力密度は、より高いレベルの補償を見つけるために使用できる一連の新しい設計手法をもたらします。ソリューションは、電力補償における電力と線形性を超えたものでなければならず、電力制御も必要です。または可変 VSWR レベルまで実行します。彼はまた、GaN-on-SiC 技術が古いクライストロン技術に置き換わることができると指摘しました。軍事および商用宇宙アプリケーションにおけるアクティブ電子走査アレイ (AESA) およびフェーズド アレイ コンポーネントの人気は、GaN-on-SiC ベースのモノリシック マイクロ波集積回路 (MMIC) でさえも、新しいレベルの電力に達すると予想されます。場合によっては、老朽化し​​たクライストロン技術を交換してください。しかし、認定された 0.15 ミクロン GaN-on-SiC ウェーハ ファウンドリーの数は限られており、市場では希少なリソースであり、さらなる投資が必要です。場合によっては、老朽化し​​たクライストロン技術を交換してください。しかし、認定された 0.15 ミクロン GaN-on-SiC ウェーハ ファウンドリーの数は限られており、市場では希少なリソースであり、さらなる投資が必要です。場合によっては、老朽化し​​たクライストロン技術を交換してください。しかし、認定された 0.15 ミクロン GaN-on-SiC ウェーハ ファウンドリーの数は限られており、市場では希少なリソースであり、さらなる投資が必要です。

GaNと5G通信

GaN技術は、宇宙やレーダーの用途に限定されません。セルラー通信の分野でイノベーションを推進しています。将来の 5G ネットワークで GaN はどのような役割を果たしますか?

有機金属化学気相堆積 (MOCVD) プロダクト ディレクターは、5G の急成長は従来のセルラー通信を破壊し、通信事業者やサービス プロバイダーに新たな機会をもたらすと予想されていると述べました。5G は現在計画されており、モバイル ブロードバンド (モバイル/タブレット/ラップトップ) は 10 Gbps を超える速度で送信され、同時にモノのインターネット (IoT) アプリケーションは超低遅延を実現できます。GaN は、特定のアプリケーション (4G / LTE 基地局用の RF 増幅器など) でシリコン (Si) に徐々に取って代わりつつあります。次世代の 5G 展開では GaN 技術が使用され、5G の初期には、GaN-on-SiC がマクロセルラー ネットワークでますます使用されるようになります。5G は GaN-on-Si を導入して GaN-on-SiC 設計と競合し、スモール セル アプリケーションに参入し、フェムトセル/ホーム ルーターや携帯電話にさえ参入する可能性があります。GaN技術は、5Gネットワ​​ークで使用されるより高い周波数に関して重要になります。5G は複数の周波数帯域で展開され、2 つの主な周波数範囲があります。広域カバレッジ用のサブ 6 GHz と、スタジアムや空港などの高密度エリア用の 20 GHz (mmWave) 以上です。厳しい 5G 技術 (より高速なデータ レート、低遅延、大規模ブロードバンド) の要件を満たすには、より高い目標周波数 (つまり、28 GHz および 39 GHz 帯域) を達成するための新しい GaN 技術が必要です。さらに、GaN技術は5G携帯電話に非常に適しています。技術的な観点から見ると、5G には減衰の問題があり、複数のアンテナで空間多重化技術を使用して信号品質を改善する必要があります。各アンテナには、専用の RF フロントエンド チップセットが必要です。ガリウム砒素（GaAs）やSiに比べ、GaN は、同じ電力レベルでより少ないアンテナを持っています。結果として得られるフォーム ファクタの利点により、GaN は 5G モバイル アプリケーションに最適です。

PAM-XIAMEN は、主要な機器会社や研究機関と協力して、GaN-on-Si を開発しています。第１に、均一な厚さおよび均一な構造組成のエピタキシャル層が、典型的には超格子を含むウェーハ全体にわたって堆積されなければならない。デバイスの特性を最適化するために、シャープな界面を使用した精密な界面制御も必要です。ＭｇおよびＦｅなどのドーパントを特定の層に効果的に組み込むために、メモリ欠陥をゼロにすることも望ましい。 これらのニーズに応えて、単一ウェーハ TurboDisc 技術は、トランジスタの性能、RF 損失、高調波歪み、およびデバイスの信頼性の課題に対処し、ウェーハあたりのエピタキシャル成長コストを削減しながら、最先端のドーパント制御と組成の均一性を提供します。これは、Propel MOCVD システムの薄膜堆積制御を利用して、高品質のバッファ成長とそのようなドーパントを組み込む能力を実現することによって達成されます。関連するツールとプロセスは、生産能力を高めるためにまだ成熟する必要があるため、GaN-on-Si と GaN-on-SiC の市場規模は小さく、課題は残っています。ただし、5G アプリケーションのプロセスと技術の向上に伴い、ユースケースは継続しています。サージには、開発の大きな可能性があります。

パワーアンプを超えて: GaNベースの低ノイズアンプ

RF/マイクロ波アプリケーションでは、GaN 技術はしばしばパワーアンプに関連付けられます。PAM-XIAMEN は、GaN 技術に基づく低ノイズ増幅器 (LNA) を開発することにより、GaN には他の使用例があることを実証しています。よく聞かれるのは、GaAs pHEMT LNA 技術は非常に成熟しており、広く使用されているということです。なぜマイクロ波周波数で一連の GaN HEMT LNA を開発するのですか? 理由は簡単です。GaN は低ノイズ以上のものを提供します。

第 1 に、GaN は入力電力の耐用性が高く、通常 GaAs pHEMT LNA に関連するフロントエンド リミッタを大幅に削減または排除できます。リミッタを排除することで、GaN はこの回路の損失を回復し、雑音指数をさらに低減することもできます。第 2 に、GaN LNA は GaAs pHEMT よりも出力の 3 次インターセプト ポイント (IP3) が高く、レシーバの直線性と感度が向上します。GaN が GaAs プロセスよりも優れている主な理由の 1 つは、その本質的に高いブレークダウン電圧です。LNA が過負荷になると、ゲート - ドレイン ブレークダウンが故障の原因になる可能性があります。GaAs pHEMT デバイスの代表的なブレークダウン電圧 5 ～ 15 V の範囲で、これらの LNA が耐えられる最大 RF 入力電力を厳しく制限しますが、GaN プロセスのブレークダウン電圧範囲は 50 ～ 100 V に拡張できるため、より高い入力電力レベルが可能になります。. さらに、ブレークダウン電圧が高いと、GaN デバイスをより高い動作電圧でバイアスすることができ、これは直線性の向上に直接つながります。私たちは、GaN の利点を最大化し、ノイズ指数が最も低く、直線性が高く、存続可能性が高い高度な LNA を作成する方法を学びました。したがって、特にイミュニティ要件が非常に高い場合は、すべての高性能レシーバ システムで GaN が推奨される LNA テクノロジとなります。

全体として、GaN 技術はRF/マイクロ波業界で大きな力となっています。今後、5G通信の成熟化に伴い、その役割はさらに拡大していきます。GaN と PA は密接に関係していますが、この技術を使用して LNA を開発するという業界の取り組みを見失うべきではありません。GaN の未来は非常に明るいため、今こそ GaN の開発にエネルギーとリソースを投資するときです。

アモイ パワーウェイ アドバンスド マテリアル Co., Ltd について

1990 年に設立された Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd (PAM-XIAMEN) は、中国の VCSEL エピタキシャル ウェーハの大手メーカーであり、GaN 基板、GaN エピタキシャル ウェーハを覆う GaN 材料を扱っています。

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