氮化鎵(GaN)技術的優(yōu)勢及應用領域

氮化鎵 (GaN) 晶體管于 20 世紀 90 年代亮相，目前廣泛應用于商業(yè)和國防領域，但工程應用可能大相徑庭。不相信?可以理解。但在您閱讀本書之后，可能會成為忠實支持者。

GaN 的普及根植于其高電源和高電壓功能。這些特性使其適用于許多應用，包括微波射頻 (RF) 和功率開關應用。

GaN 獨特的材料屬性使其成為許多應用全新首選技術，如 5G 通信、汽車、照明、雷達和衛(wèi)星應用。但 GaN 制造商和開發(fā)人員并不止步于此。他們繼續(xù)通過技術革命來推進 GaN 的發(fā)展。這些創(chuàng)新將在未來繼續(xù)開拓新的應用領域。

本書提供了牢固的 GaN 基礎知識。它著眼于技術和 GaN 實現(xiàn)的驅動因素，以幫助您了解普及 GaN 的益處。它還調查了目前各行各業(yè)使用 GaN 的成熟和前沿應用。閱讀本書之后，您將了解 GaN 如何在電子工程行業(yè)掀起一場革命，及其如何繼續(xù)保持這一勢頭。

傻瓜式假設

之前提到，大多假設已不再關乎使用，盡管如此，我們仍然做出以下假設。我們主要假設您是技術或半導體行業(yè)的利益相關者，并且長期關注 GaN 等技術。您可能是工程師、設計架構師、技術員、技術主管、銷售人員、技術學員或投資者。我們還假設您對半導體技術有一定的了解。因此，本書的主要受眾為了解一定技術的讀者，比如您。

果真如此的話，本書正適合您!如果都沒猜中，您也要讀下去。這本書很有用，讀完后，您會對 GaN 技術有一個初步的了解!

氮化鎵 (GaN) 技術是一項相對較新的半導體技術，正在徹底改變當今世界。GaN 的優(yōu)勢源于其獨特的材料屬性 ：寬帶隙、高擊穿電壓、高熱導率、高電子遷移率和高飽和電子速度。

本章首先介紹關于 GaN 及其優(yōu)勢的一些基本事實，然后對使用 GaN 的行業(yè)和應用進行調查。

GaN ：過去和現(xiàn)在

20 世紀 90 年代初，人們首次認識到 GaN 作為一種大功率和高頻半導體晶體管材料的潛力，并開始不斷探索。到 2000 年代中后期，GaN 就已經用于國防和航天領域的生產應用，以及固態(tài)照明發(fā)光二極管 (LED) 的商業(yè)應用。

自那時起，GaN 逐漸被射頻 (RF) 電子領域接受，并廣泛部署于 5G 等商業(yè)無線應用。GaN 材料的改進可實現(xiàn)高功率密度、高效率射頻放大器，并推動了射頻技術的應用。

像砷化鎵 (GaAs) 和磷化銦鎵 (InGaP) 一樣，GaN 是一種 III-V 直接帶隙半導體技術。III-V 化合物半導體是一種含有元素周期表中 III 和 V 族元素的合金。(我們將在第 2 章詳細地討論這些內容。)

許多半導體市場分析師仍將 GaN 描述為一項相對較新的技術。然而，在短短的幾年時間里，GaN 已經從新秀一躍成為許多應用領域的領跑者。GaN 不僅取代了根深蒂固的現(xiàn)有硅技術，如橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS)，而且在與 GaAs 等其他技術組合使用時，還有助于提高整體系統(tǒng)性能。

GaN 能夠補充 GaAs 等現(xiàn)有技術的不足，從而有助于加快其在國防與商業(yè)應用領域的普及。GaN 還有助于提高系統(tǒng)性能，以滿足下一代系統(tǒng)對更高功率、頻率和效率的要求。因此，它開始成為帶寬更寬、頻率更高的全新射頻應用的首選技術。

了解 GaN 的全球市場影響力

GaN 市場已經突破了 10 億美元大關。GaN 能夠滿足極端溫度、寬帶寬、大功率、高電壓和高輸入功率等要求，這些獨特的優(yōu)勢使其能夠同時進入許多市場領域，如圖 1-1 中所示。

主要市場為國防、航天、電信基礎設施和衛(wèi)星通信。但 GaN 還可用于許多其他應用。為了保持完整性，這里有一個更全面的列表，描述了圖 1-1 所示每個高級市場的次級市場 ：

圖 1-1 ：GaN 射頻技術和市場。

國防和航天

電子戰(zhàn)干擾發(fā)射器

國防通信，包括戰(zhàn)術無線電、衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)鏈路

國防雷達，包括空中、陸基和海軍雷達

民用雷達，包括航空交通管制和氣象雷達

衛(wèi)星通信，包括國防和民用衛(wèi)星通信

無線基礎設施

宏/微基站，包括遠程無線電頭端 (RRH) 和有源天線系統(tǒng) (AAS)

小基站

無線回程

有線寬帶

射頻能量

醫(yī)學

工業(yè)

科學

汽車

測試與測量

GaN 用于國防領域

GaN 在國防領域一直處于領先，并將繼續(xù)保持領先地位。GaN 在提高軍事系統(tǒng)性能方面發(fā)揮著關鍵作用，如有源電子掃描陣列 (AESA) 雷達和電子戰(zhàn) (EW) 系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)都需要大功率、小巧外形和高效散熱性能。在滿足許多國防應用的高功率密度、高效率、寬帶寬和長使用壽命需求方面，GaN 可提供有效的解決方案。

GaN 用于 5G 電信領域

通過實現(xiàn)大規(guī)模 MIMO 無線基站，5G 開創(chuàng)了多輸入 / 多路輸出 (MIMO) 技術的新時代。當您推出 5G 基礎設施時，大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)可幫助無線網絡運營商提高性能，最小化成本并提高容量。

隨著向大規(guī)模 MIMO 過渡，業(yè)界開始從 LDMOS 功率放大器轉向運行溫度更低、外形更小巧、功率更大的 GaN 基解決方案。下面是與 LDMOS 相比，碳化硅 (SiC) 基 GaN 技術用于基站的一些關鍵優(yōu)勢 ：

陣列更小 ：因為與 LDMOS 相比，GaN on SiC 具有更高的功率輸出和出色的散熱性能，所以無線網絡運營商可利用較小型陣列實現(xiàn)相同的輸出功率。GaN on SiC 的陣列大小最多比 LDMOS 小 20%。

可靠性 ：即使在高溫條件下，GaN 也能可靠運行。這對于 5G 基站來說至關重要，因為這些系統(tǒng)開始從無線發(fā)射塔下方的空調房間搬到塔頂。即使在惡劣的塔頂環(huán)境下，GaN on SiC 也具有較高的可靠性。

散熱性能更出色 ：GaN on SiC 的熱導率比 LDMOS 更高，所以可以更有效地散熱，從而實現(xiàn)運行溫度更低的系統(tǒng)。

工作頻率更高 ：與 LDMOS 不同的是，GaN on SiC 可在 5G 使用的 6 GHz 以下和毫米波 (mmWave) 頻率范圍內工作，同時效率提高 10% 到 15%。

重量更輕 ：重量是基站應用的一個重要因素，也是更小巧外形之所以重要的關鍵原因。GaN 的效率更高，因而可使用尺寸更小的散熱器，從而可縮減整個系統(tǒng)的尺寸和重量。對于在塔上安裝 5G 的人員來說，這是非常重要，因為重量更輕意味著安裝更簡單。

要想充分發(fā)揮 5G 的多 Gbps 數(shù)據(jù)傳輸速度和超低延遲潛力，移動運營商必須提高系統(tǒng)性能。這意味著，它們需要對頻譜采集、網絡基礎設施和傳輸技術進行大量投資。在 6 GHz 以下和毫米波頻率范圍內運行的大規(guī)模 MIMO 無線基站是其中一項最重要的 5G 傳輸技術。

大規(guī)模 MIMO 基站使用許多天線傳輸和接收數(shù)據(jù)，而不是傳統(tǒng)無線通信中通常使用的單天線。這些大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)支持空間復用，其中每個信道都向接收器傳送獨立信息。這可提高信號可靠性，并大幅提升吞吐量。

那么，5G 大規(guī)模 MIMO 基站系統(tǒng)需要什么樣的射頻前端 (RFFE) 組件呢?它們必須為具有高線性度、極高效率和低功耗的集成組件。GaN 滿足這些要求。此外，在 RFFE 中使用 GaN 可減少大規(guī)模 MIMO 陣列所需有源元件的數(shù)量，以滿足基站系統(tǒng)輸出功率要求，如等效全向輻射功率 (EIRP)。

EIRP 是在給定天線增益和射頻子系統(tǒng)發(fā)射器功率的情況下，天線陣列所能輻射的最大功率。通過使用 GaN，系統(tǒng)設計人員可以輕松地實現(xiàn)每個塔的 5G 指定 EIRP 級別。此外，他們還可以使用更少、更小的天線來實現(xiàn)這一目標，從而以更低的資本支出更快速地進入市場。

比較 GaN 與其他技術

盡管 GaN 逐漸在越來越多的市場領域取代其他技術，但仍有一些現(xiàn)有技術直接與 GaN 競爭。最后，GaN 可為系統(tǒng)設計人員和設備工程師提供另一種技術選擇，以打造一流產品，同時最小化系統(tǒng)與用戶需求之間的權衡。

在任何射頻系統(tǒng)中，最優(yōu)技術都取決于設計人員所要實現(xiàn)的性能參數(shù)。在大多數(shù)應用中，技術選擇取決于頻率、功率水平、效率、尺寸和價格?？捎玫闹饕夹g選項包括碳化硅 (SiC) 基 GaN、硅 (Si) 基 GaN、GaAs 和 LDMOS。表 1-1 比較了它們的特性及適用的射頻應用。

快速瀏覽此表，您就會明白為什么全球開始拋棄 LDMOS。GaN 可為進行系統(tǒng)開發(fā)的設計人員提供全面的競爭優(yōu)勢，滿足其功率、寬帶寬、高工作電壓和高散熱性能等要求。

因此，許多工程師都想知道 GaN 最終是否會取代 LDMOS 等技術。要回答這個問題，我們先來看看以下這些關鍵問題 ：

GaN 是否支持現(xiàn)有應用和新應用?

它是否易于使用?是否提供即插即用的替換件?

它是與當前技術一樣可靠，還是比當前技術更加可靠?

GaN 已經能夠滿足取代現(xiàn)有技術的所有先決條件，尤其是在 5G 等新應用領域。5G 領域的 GaN 已經支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度、更大的射頻范圍、更高的溫度穩(wěn)定性、較高輸入功率水平穩(wěn)定性、更小巧的尺寸以及更高效的功耗。

如前所述，GaN 射頻系統(tǒng)得益于其獨特的材料屬性：寬帶隙、高電荷密度、高電子遷移率和高溫耐受性。這些屬性可轉化為高功率附加效率 (PAE)、高功率輸出、小巧外形、寬帶寬和耐用性等射頻優(yōu)勢。通過利用 GaN 的高 PAE 和高工作電壓優(yōu)點，系統(tǒng)能夠以更低的工作電流和成本運行。此外，系統(tǒng)設計人員還可以減少系統(tǒng)設計所需的組件數(shù)量，從而節(jié)省設計時間，加快上市步伐。除了高熱導率外，GaN 還因其低輻射靈敏度而知名。

從表 1-1 中我們可以猜測出，GaN 的制造工藝主要使用碳化硅或硅基板(分別為 GaN on SiC 和 GaN on Si)。每種基板都有其自己的優(yōu)勢。與碳化硅相比，硅基板的成本相對更低。然而，從許多方面來看，與 GaN on Si 相比，GaN on SiC 的可靠性和功率性能更高，因此更具優(yōu)勢，如圖 1-2 中所示。這使得 GaN on SiC 成為 5G 電信、國防、航天等許多應用領域的最佳之選。

圖 1-2 ：GaN on SiC 和 GaN on Si 的優(yōu)勢比較。

圖 1-2 突出顯示了 GaN on SiC 和 GaN on Si 基板之間區(qū)別。此外，我們還發(fā)現(xiàn)人造金剛石是另一種替代基板材料。Si 基板的成本最低，但散熱性能也最低，而金剛石基板的成本最高，但散熱性能最高。然而，成本和散熱性能之間的最佳平衡是 SiC 基板材料。因此，SiC 基板最常用于高功率、高效率的應用，尤其是國防和基礎設施領域。

原文標題：GaN 技術的過去和現(xiàn)在

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審核編輯：湯梓紅