氮化镓在微波和射频行业发展评估

从研发到商业化应用，氮化镓的发展是当下的颠覆性技术创新，其影响波及了现今整个微波和射频行业。氮化镓对众多射频应用的系统性能、尺寸及重量产生了明确而深刻的影响，并实现了利用传统半导体技术无法实现的系统级解决方案，其市场潜力刚刚开始被关注。

图1、无线基站

氮化镓如今被定位成涵盖了从无线基站到射频能量等商业射频领域的主流应用，它从一项高深的技术发展为市场的中流砥柱，这一发展历程融合了多种因素，是其一致发挥作用的结果。氮化镓的性能优势曾经一度因高成本而被抵消。

最近，氮化镓凭借在硅基氮化镓技术、供应链优化、器件封装技术以及制造效率方面的突出进步成功脱颖而出，成为大多数射频应用中可替代砷化镓和LDMOS 的最具成本竞争优势的材料。

形成阶段

大约20多年前，美国国防部曾通过的微波/毫米波单片集成电路(MIMIC) 和微波模拟前端技术(MAFET) 计划在开发基于砷化镓的MMIC 中扮演着关键的角色。与此同时，美国国防部还通过了高级研究计划局(DARPA) 的宽带隙半导体技术(WBST) 计划，该计划在氮化镓的早期开发中发挥了积极的推动作用。该项计划于2001 年正式启动，力求满足军方对小型高功率射频器件的需求，WBST 计划在一定程度上依托早期氮化镓在蓝光LED 照明应用中的成功经验。

为了快速跟踪氮化镓在军事系统中的应用，WBST 计划特准计划参与方深耕MMIC 制造工艺，以制造出可预测性能特性和故障率的可复制氮化镓器件。相比之前的MIMIC 和MAFET 计划，WBST 计划严重倾向于军事应用，不计成本地追求所需性能，但是，随着化合物半导体提供商不断完善其生产工艺，计划最终可以确保政府获得性能更高，成本更加低廉的射频元件。

无线手机消费需求的激增加速了砷化镓成为主流商业应用的步伐，这强有力地助推了规模经济。化合物半导体提供商斥资数亿美元修建了大规模的砷化镓制造厂，引领行业建立起稳健、可靠和可扩展的砷化镓供应链，并由此实现了砷化镓从专业化的军事技术向商业支柱技术的转化。

有线电视(CATV) 运营商希望在增加带宽的同时，通过提高能源效率来降低运营成本，从而推动了氮化镓率先在有线电视行业开展商业应用。尽管与砷化镓相比，碳化硅基氮化镓的价格更高，但有线电视基础设施的成本压力要比无线手机小得多，而且节省的运营成本可以超过增加的购置成本。但是，商业CATV 市场的体量优势会被碳化硅基氮化镓愈发陡峭的价格侵蚀曲线所抵消，市场在积极地开发其廉价替代品。

通过早期的CATV 应用，碳化硅基氮化镓和硅基氮化镓之间的性能差距已经显著缩小，所产生的经济高效的硅基氮化镓功率晶体管如今已与碳化硅基氮化镓具有同样的电源效率和热特性。MACOM 的第四代硅基氮化镓(Gen4 GaN) 代表了这种趋势，针对2.45GHz 至2.7GHz 的连续波运行可提供超过70% 的峰值效率，以及19dB 的增益。

在无线基站市场，该性能使得氮化镓可以撼动LDMOS 在基站功率放大器领域几十年来的主导地位，并对基站性能和运营成本产生了深远的影响。氮化镓提供的显著技术优势(包括能源效率更高、带宽更宽、功率密度更大和外形因子更小)使之以LDMOS 天然替代者的身份来服务于下一代基站，尤其是1.8GHz 以上的手机频段，无线基站如图1所示。

性能优势

在评估氮化镓的技术轨迹和市场潜力时，必须充分肯定其基线技术优点，这也是将其与传统半导体技术区分开来的优势。 

就砷化镓(GaAs) 和LDMOS 而言，它们的性能特性(以功率、效率、带宽及热稳定性来衡量)都足以满足其目标应用。而在其最明显的缺陷当中，值得一提的是，砷化镓只能提供有限的功率输出(低于50W)，而LDMOS 受限于较低频率(低于3GHz)。

正当砷化镓和LDMOS 在功率和频率上显现出缺憾之时，氮化镓却在这两个指标上彰显出了卓越的性能，同时，它还具备某些附加的技术优势。氮化镓的原始功率密度比当前砷化镓和LDMOS 技术的高很多，且支持将器件技术扩展到高频应用。氮化镓技术允许器件设计师在保持高频率(比LDMOS 的频率高出10% 以上)的同时实现宽带宽。如果加以适当利用，这种频效差量能够在系统层面上对商业应用产生巨大的影响。

成本竞争

如今，氮化镓的性能优势在射频和微波行业众所周知。但是氮化镓的历史成本结构决定了它成本不菲，这减慢了其成为主流应用的速度。

图2、MACOM的第四代氮化镓

然而，这种情况将不再持续，客户对氮化镓的看法和期望正不断调整演变。考虑到固有的功率密度优势和向8 英尺基底扩展的可能性，第四代氮化镓(如图2)有望制造出在绝对$/W 上比LDMOS 更具成本效益的基于氮化镓的器