解读GaN在射频功率领域作用

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。

金刚石衬底GaN主要是应用于美国国防部高级研究计划署（DARPA）的近结热传输项目（NJTT），始于2011年，在这个项目中TriQuint和布里斯托大学第四研究室是合作伙伴，而且洛克希德·马丁公司也是参与者。该团队在2013年宣布他们已经实现了连续三次提高了GaN-on-SiC的功率密度。这意味着可以把金刚石衬底氮化镓芯片缩小三倍或把其射频功率提升3倍，该项目完成了设计测试评估，很可能金刚石衬底GaN将在5年内满足其制造性要求。

这里谈下TriQuint公司，该公司的氮化镓技术研发专长和在广泛的高功率、高频率工艺流程方面的领先地位为其赢得了美国国防部先进研究项目局(DARPA) 的许多合同，包括最近与该局的Near Junction Thermal Transport (NJTT)、Microscale Power Conversion (MPC) 以及"NEXT"计划有关的项目。另外，TriQuint还为Defense Production Act Title III氮化镓计划提供持续制造技术改进支持。还有其他一些先进的TriQuint氮化镓研发项目受到Tri-Services实验室（包括美国空军、陆军及海军）的资助。TriQuint研发人员是新型超快高功率直流-直流开关、集成式高效率放大器和复杂、高动态范围混合信号器件研发领域的开路先锋。

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4 GHz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（不是MMIC）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(图1)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3.5 GHz的频率范围，并在3.3 GHz频率上提供64W 3dB增益压缩（P3dB）。

图1：TriQuint 半导体的宽频带的T2G4005528-FS封装的GaN-on-SiC的射频功率晶体管

一些军事雷达可工作在高频（HF）到超高频（UHF）频率：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。

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