Nakładanie GaN-u na krzem było proste jedynie w zakresie koncepcji. W rzeczywistości okazało się ekstremalnie trudne, gdyż oba materiały znacząco się różnią w parametrach fizycznych, a inne stałe siatki krystalicznej powodowały powstawanie dyslokacji, czyli nierównomierności, naprężeń, uskoków itp. wad, które finalnie czyniły warstwę GaN-u na krzemie praktycznie bezużyteczną. Taki nieefektywny proces nie był też tani w produkcji.
Z uwagi na te problemy branża półprzewodników skierowała wysiłek rozwojowy na opracowanie podłoży azotkowych. Sukcesy były, ale nie takie, by produkować tanio i dużo. Krążków z azotku galu o średnicy takiej, jaką mamy w krzemie, nigdy nie było. Nie znaczy to, że pomysł użycia krzemu jako podłoża zarzucono. Cały czas trwały prace badawcze, aby jednak ten GaN nałożyć przy użyciu wielu warstw pośrednich, które zmianę materiału i stałych sieci krystalicznej przeniosą w wielu krokach.
Dopiero w 2019 roku na rynku pojawiły się pierwsze komercyjnie dostępne podzespoły w.cz. typu GaN-on-Si. Innymi słowy, dopracowanie technologii i przełożenie pierwotnej, prostej w założeniach koncepcji na produkty wytwarzane masowo stało się faktem. Prawie 15 lat, które to zajęło, w branży półprzewodników to więcej niż cała epoka i jednocześnie ilustracja, jak wiele wysiłku i czasu wymaga rozwój technologii.
Zastosowania technologii GaN-on-Si
Pierwotnym kierunkiem rozwoju takich podzespołów była technologia 5G, wykorzystująca wiele pasm częstotliwości, także z zakresu mikrofal, wiele nadajników, systemy wieloantenowe. Do budowy stacji bazowych potrzeba dużo tranzystorów mocy w.cz., zapewniających dobre parametry oraz efektywność energetyczną. W takim kontekście GaN-on-Si stał się realną alternatywą dla konwencjonalnych technologii półprzewodnikowych, w tym używanych do tej pory tranzystorów LDMOS oraz materiałów takich, jak GaAs.
Z punktu widzenia radiokomunikacji technologia ta ma same zalety:
- zapewnia szybkość komutacji i dużą gęstość mocy,
- łatwość integracji,
- pracę z wyższym napięciem zasilania.
Jednocześnie jest relatywnie tania. Dobre przewodnictwo cieplne zapewnia wydajne chłodzenie i wydajność termiczną nawet przy wysokim poziomie mocy. Dzięki temu stopień mocy w.cz. może zostać zintegrowany nawet w małej obudowie i to razem z elementami dodatkowymi.
Kluczową zaletą GaN-on-Si jest możliwość wykorzystania istniejącej infrastruktury produkcyjnej krzemu. Płytki krzemowe są powszechnie dostępne, co obniża koszty produkcji w porównaniu np. z alternatywnym procesem GaN-on-SiC. Jest też opcja integracji z technologią CMOS, umożliwiająca tworzenie wielofunkcyjnych komponentów w.cz. z logiką, blokami DSP i układami analogowymi. Ta możliwość zwiększa wydajność systemu i zmniejsza zajmowaną powierzchnię wzmacniaczy RF w zaawansowanych systemach komunikacyjnych.
Początkowo podobny pomysł - GaN-on-SiC - był postrzegany jako perspektywiczny dla wzmacniaczy mocy w.cz. ze względu na swoją zdolność radzenia sobie z wysokimi temperaturami i ekstremalnymi poziomami mocy. Podłoża SiC zapewniają doskonałą przewodność cieplną, umożliwiając efektywne odprowadzanie ciepła w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości. SiC jest jednak drogi i wymaga specjalistycznych procesów produkcyjnych, co prowadzi do wyższych kosztów i ograniczeń wydajnościowych niż w przypadku rozwiązań opartych na krzemie. Z kolei dotychczasowe elementy LDMOS, szeroko stosowane w aplikacjach w.cz. od dziesięcioleci, nie radzą sobie z częstotliwościami ponad 6 GHz.
GaN-on-Si w zasadzie nie ma wad, co oznacza, że trwale zmieni radiokomunikację, spychając na margines krzem i arsenek galu. W kontrze do kilkunastu lat przygotowań nastąpi to teraz bardzo szybko.
Robert Magdziak
