GaN在射频功率领域应用前景，你怎么看？

氮化镓(GaN)这种宽带隙材料将引领射频功率器件新发展并将砷化镓(GaAs)和LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)器件变成昨日黄花?看到一些媒体文章、研究论文、分析报告和企业宣传文档后你当然会这样认为，毕竟，GaN比一般材料有高10倍的功率密度，而且有更高的工作电压(减少了阻抗变换损耗)，更高的效率并且能够在高频高带宽下大功率射频输出，这就是GaN，无论是在硅基、碳化硅衬底甚至是金刚石衬底的每个应用都表现出色！帅呆了！至少现在看是这样，让我们回顾下不同衬底风格的GaN：硅基、碳化硅（SiC）衬底或者金刚石衬底。硅基氮化嫁：这种方法比另外两种良率都低，不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。因此它很快就会以价格为竞争优势对抗现有硅和砷化镓技术，理所当然会威胁它们根深蒂固的市场。碳化硅衬底氮化镓：这是射频氮化镓的“高端”版本，SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品，可提供其他出色特性，可确保其在最苛刻的环境下使用。金刚石衬底氮化镓：将这两种东西结合在一起是很难的，但是好处也是巨大的：在世界上所有材料中工业金刚石的热导率最高(因此最好能够用来散热)。使用金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金刚石高导热率优势发挥出来，可以实现非常接近芯片的有效导热面。氮化镓、砷化镓和LDMOS将共存吗?在这些领域，砷化镓和LDMOS技术将在可预见的未来继续发挥作用：无线基础设施、工业和一些雷达应用项目：LDMOS是一个完全成熟的技术，由于它可以提供单器件高射频功率（大于1kW）因此在这些市场的基础牢固。LDMOS可以无损的承受阻抗不匹配，并且采用先进的低热阻塑料封装，同时可以保持低成本。其局限性是最高可用频率低于4GHz且只在一个窄带能有最佳性能表现。LDMOS可用于有空间安置多级放大器且工作在窄带频率范围的雷达上。低功耗电池供电设备：智能手机、平板等几乎所有产品都采用GaAs MMIC以及分立器件。砷化镓很符合它们的接收和传输信号链，且得益于30年的发展积累，有众多供应商可以提供系列产品，且成本低，外形小。小单元，分布式天线系统和一些微波链路：砷化镓MMIC在这些市场的优势是射频功率低，TriQuint半导体T2G4005528-FS是GaN竞争的典型代表，这种碳化硅衬底的氮化镓HEMT(高电子迁移率晶体管)工作在从直流到3.5GHz的频率范围，并在3.3GHz频率上提供64W 3dB增益压缩（P3dB）。

TriQuint半导体T2G4005528-FS一些工作在高频（HF）到超高频（UHF）频率的军事雷达：LDMOS仍是这些系统最佳候选，虽然随着硅基氮化镓器件可以覆盖更广的带宽，可用于提供有竞争力的CW RF射频输出、增益、效率以及线性度，随着成本的下降它们将更有吸引力。还有许多其他应用项目，比如有线电视分配放大器，在这些应用中，砷化镓和LDMOS的优势无可替代。简而言之，砷化镓和LDMOS技术在这些领域不会消失。GaN赢在哪里? 下面列出GaN的几个突出优点：1.有源相控阵(AESA)雷达和电子战(EW)系统：这些是碳化硅衬底氮化镓（或者是金刚石衬底）晶体管或者单片微波集成电路（MMIC）的关键应用， 而且多年来已经成为这个领域的事实标准，因为当前或再过几年都没有其他技术可以可供碳化硅衬底氮化镓的功率密度和其他优势。下图显示了Ka波段砷化镓和碳化硅衬底氮化镓MMIC射频功率放大器的构成。两者都由TriQuint制造。每个放大器在30GHz提供6W射频功率，不过，氮化镓所需的有源器件更少，所以MMIC只需要一个简单的四路功率合成器。砷化镓MMIC放大器需要更多的器件而且电路更复杂，因为它必须包含32路功率合成器，它影响了MMIC的最终尺寸。砷化镓MMIC大约是铅笔橡皮擦顶部面积那么大小，而GaN放大器则大约是生米粒大小。

GaAs MMIC和GaN MMIC对比显然笼统来看这两个器件都不大，但当考虑应用的时候例如相控阵雷达时氮化镓的优势就很明显了。AESA雷达可能有70000个部件，每一个由基于MMIC 的 发射/接收模块伺服，相对于砷化镓MMIC来说，氮化镓MMIC的尺寸可以更小，再结合氮化镓的高功率输出和更高的工作频率，氮化镓器件在相控阵雷达中取代砷化镓是理所当然的了。2.工作在4 GHz以上大功率、宽带系统：除了氮化镓没有其他技术可以提供这些系统所需要的性能。从非常小的用于卫星通信合成孔径终端(VSATs)到更高频段的微波链路，氮化镓将是其不二的选择。3.一些低噪声放大器(lna)：尽管GaN和GaAs在噪声性能方面不分伯仲，但是GaN可以处理已经失真或失效的更大幅度信号。氮化镓在这些低噪声放大器领域不会很快取代砷化镓、硅锗(锗硅)或任何其他技术。然而在处理高电平信号时，GaN有其独特的优势。4. 高功率射频开关和其他控制组件：GaN的高击穿电压和电流处理能力使其比砷化镓MMIC更适合做开关。它们也可以工作在高效宽带领域，它们有相同的低插入损耗和高隔离，可以处理更高功率且电流消耗低。前途一片光明假如将GaN在RF领域的发展分成几个章节；在第一章完成初始开发之后，现在我们刚刚完成了第二章。到目前为止，已经建立了一个商业市场，已经确定了设备可靠性和制造能力，晶圆尺寸已经达到6英寸，许多公司已经展示了材料的潜力，这一切都在2000年前后实现，自从1980年代开始发展砷化镓MMIC以来， 这是取得的最瞩目的成就。氮化镓就像之前的砷化镓一样，在国防系统中将是至关重要的，主要用于但不限于AESA雷达和电子战以满足下一代需求。有几个非常大的项目在未来或多或少都依赖它。因此，氮化镓MMIC在商业市场将激增并且国防承包商将开始部署它们。GaN在商业应用未来如无线基础设施一样绝对是前途一片光明，但进一步的接受程度取决于其成本是否进一步降低。简而言之，氮化镓现在才是刚刚发力，十年内其前途辉煌。整个发展故事值得好好读读，如果GaN所向披靡，那么砷化镓和LDMOS终将会成为历史。本文来源：互联网 由RFLab射频实验室编辑整理