氮化镓(GaN)缘何左右逢源，四无敌手？

我想大家应该对氮化镓(GaN)常有耳闻，尤其是随着5G通信技术的不断演进，我们越来越多的看到诸多半导体大厂都在押宝氮化镓相关技术产品，视其为抢先机会。这篇微文就来和大家探讨一下氮化镓为何如此神通广大倍受青睐。先从宏观角度来讲讲GaN的位置。有一种说法认为，第一代半导体是Si，主要解决数据运算、存储的问题；第二代半导体以GaAs为代表，主要应用于光纤通信，解决数据传输的问题；第三代半导体以GaN为代表，它在光电转换方面性能突出，在微波信号传输方面效率很高，可以广泛地应用于照明、显示和通讯(尤其是5G)领域。

所以可以明确的是，GaN确实是目前最新鲜的半导体技术，而且未来的前景十分广阔。下面来给大家从微观的角度来剖析一下GaN的内部结构。这是一种人工合成的材料，具有较大的禁带宽度，因此列位宽禁带半导体之列(下文解)。 1998年9月1日，美国科学家在实验室中研制出了GaN MOSFET。

这是一种极稳定的化合物，具有高硬度高熔点(1700℃)特性；GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。 GaN的晶体结构主要有两种，分别是纤锌矿结构(下图)与闪锌矿结构。闪锌矿对称性更高，正负离子中心重合，没有自发极化，但对于GaN来说，这种相并不稳定，所以一般情况下不会稳定存在。但纤锌矿则相反，是稳定的相，具有自发极化特征，所以可以应用于压电方面。SAED如果点阵所成的不是标准的方形，如长方形的话，那材料依然是纤锌矿结构，因为六方相中有些晶面也会产生方形的衍射，如电子束沿着入射。

GaN目前已经明确的应用可以分为两大领域——微波功率晶体管和蓝色光发光器件。氮化镓应用在微波领域的优势表现为： 更高效率：降低功耗，节省电能，降低散热成本，降低总运行成本。更大的宽带：提高信息携带量，用更少的器件实现多频率覆盖，降低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。更高的功率：在4GHz以上频段，可以输出比砷化镓高得多的频率，特别适合雷达、卫星通信、中继通信等领域。

氮化镓应用在电力电子领域的优势：高转换效率：氮化镓的禁带宽度是硅的3倍，击穿电场是硅的10倍。因此，同样额定电压的氮化镓开关功率器件的导通电阻比硅器件低3个数量级，大大降低了开关的导通损耗。高工作频率：氮化镓开关器件寄生电容小，工作效率可以比硅器件提升至少20倍，大大减小了电路中储能原件如电容、电感的体积，从而成倍地减小设备体积，减少铜等贵重原材料的消耗。高使用环境温度：氮化镓的禁带宽度高达3.4eV,本征电子浓度极低，电子很难被激发，因此氮化镓器件理论上可以工作在800摄氏度以上的残酷环境，降低系统使用周期成本。5G即将到来，GaN将迎来爆发式增长由于氮化镓特殊的晶体结构，同样的电压可以在更高的频率中实现，从而带来更高的功率和更好的效率性能。现在的无线基站里面，已经开始用氮化镓器件取代硅基射频器件，在基站设备上，氮化镓器件的使用得越来越广泛。虽然氮化镓用到手机上还不现实，但业界还是要关注射频氮化镓技术的发展。氮化镓器件的瞬时带宽更高，而载波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了得到更大的带宽，这意味着覆盖系统的全部波段和频道只需要更少的放大器。 载波聚合和大规模多入多出技术促使基站去采用性能更好的功放。基站中以前采用的射频功放主要基于LDMOS技术，但LDMOS技术的极限频率不超过3.5GHz，也不能满足视频应用所需的300MHz以上带宽。

因此，基站开始采用射频氮化镓器件来替代LDMOS器件。LDMOS器件物理上已经遇到极限，这就是氮化镓器件进入市场的原因。基站应用需要更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率，这些因素都促成了基站接受氮化镓器件。制造氮化镓器件有两种方式，一种是Qorvo和其他大多数厂商都采用的基于碳化硅的氮化镓射频工艺，一种是Macom主导的基于硅的氮化镓射频工艺。两种工艺各有优劣，相比基于硅的氮化镓，基于碳化硅的氮化镓工艺有更高的功率密度、更好的热传导性。不过硅衬底比碳化硅衬底更便宜。Macom正在计划将生产工艺从6英寸升级到8英寸，从而进一步降低基于硅的氮化镓射频工艺。特 别 推 荐

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