GaN技术应用在手机射频里还有那些难题？

网络基础设施与反导雷达等领域都要求使用高性能高功率密度的射频器件，这使得市场对于射频氮化镓（GaN）器件的需求不断升温。

举个例子，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。氮化镓受青睐主要是因为它是宽禁带（wide-bandgap）器件，与硅或者其他三五价器件相比，氮化镓速度更快，击穿电压也更高。

现在，为了把氮化镓器件推到更大的市场去，一些射频氮化镓厂商开始考虑在未来的手持设备中使用氮化镓。对于现在的手机而言，氮化镓的性能过剩，价格又太贵。但将来支持下一代通信标准（即5G）的手机，使用氮化镓是有可能的。

氮化镓技术非常适合4.5G或5G系统，因为频率越高，氮化镓的优势越明显。但对于手机而言，氮化镓材料还有很多难题需要解决，例如功耗、散热与成本。

不同工艺比较（数据来源于OKI半导体）

射频氮化镓技术是5G的绝配

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。"与砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS和碳化硅（SiC）等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。" 分析机构Strategy Analytics的分析师Eric Higham说。

"氮化镓器件的瞬时带宽更高，这一点很重要，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。"Higham说，"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。"

氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）是射频应用中常用的三五价半导体材料，LDMOS（横向扩散MOS技术）是基于硅的射频技术，碳化硅（SiC）可用于功率或射频领域。

可以肯定的是，氮化镓不会统治整个射频应用，设备厂商会像以前一样，根据应用选择不同的器件和工艺制程技术，包括三五价化合物与硅材料。"（射频领域）还是有砷化镓与硅器件的市场空间。"GlobalFoundries射频市场总监Peter Rabbeni说道。

什么是氮化镓?

氮化镓技术可以追溯到1970年代，美国无线电公司（RCA）开发了一种氮化镓工艺来制造LED。现在市场上销售的很多LED就是使用蓝宝石衬底的氮化镓技术。

除了LED，氮化镓也被使用到了功率半导体与射频器件上。 基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。"我们相信，氮化镓在600V功率器件市场将占有主要优势。"英飞凌氮化镓全球应用工程经理Eric Persson说道。

氮化镓功率器件还是一个新事物，一时半会儿不会取代现在600V的主流技术--功率MOSFET。"要最大限度发挥（GaN功率技术的）作用，必须采用新型拓扑。"Persson说道。

但射频氮化镓技术正在成为主流。根据Strategy Analytics的统计，2015年射频氮化镓市场规模达到3亿美元，该机构预测2020年射频氮化镓市场可达6.885亿美元。

2015年射频氮化镓应用市场分布图（数据来源于YOLE）

现在能够提供射频氮化镓器件的厂商主要有科锐、英飞凌、Macom、恩智浦、Qorvo和住友等厂商。（英飞凌在2016年7月已经宣布收购科锐的Wolfspeed部门，Wolfspeed提供碳化硅功率器件和碳化硅基氮化镓射频器件）。还有包括波音、Northrop Grumman和雷神等在内的军工厂商也在开发氮化镓和其他三五价技术。

氮化镓可用于制造场效应管（FET）。平面氮化镓场效应管和硅基的MOSFET类似，通过栅极控制电流从源极流向漏极。

不过制造工艺上氮化镓和CMOS不同。氮化镓的衬底是在高温下利用金属有机气相沉积（MOCVD）或者分子束外延（MBE）技术生长的。氮化镓与一般半导体材料的最大区别是禁带更宽。禁带宽度是表征价电子被束缚强弱程度的一个物理量，禁带越宽，对价电子的束缚越紧，使价电子摆脱束缚成为自由电子的能量越大。禁带宽度也决定了自由移动电子的质量。

氮化镓的禁带宽度是3.4 eV（电子伏特），另一种宽禁带材料碳化硅是3.3eV，对比一下，现在的射频工艺砷化镓（GaAs）的禁带宽度是1.4eV，而硅是1.1eV。

用氮化镓和碳化硅等宽禁带材料制造的芯片能够承受更高的电压，所以与其他技术相比，输出能量密度更高，可工作环境温度也更高。"此外，氮化镓器件在技术上还有很多优势，例如更高的输出阻抗。高输出阻抗可以使氮化镓器件的阻抗匹配和功率组合更容易，这样可以覆盖更宽的频率范围，提高射频功放器件的适用性。"NI AWR事业部技术市场总监David Vye说道。

氮化镓器件有什么缺点呢？缺点就是太贵了，现在绝大部分射频氮化镓器件是用又贵又小的碳化硅做衬底生产的。氮化镓具备独特的宽禁