目前,，氮化鎵（GaN）技術(shù)已經(jīng)不再局限于功率應(yīng)用,，其優(yōu)勢也在向射頻/微波行業(yè)應(yīng)用的各個(gè)角落滲透，而且對(duì)射頻/微波行業(yè)的影響越來越大,，不容小覷,。因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)從太空、軍用雷達(dá)到蜂窩通信的應(yīng)用,。

雖然GaN通常與功率放大器（PA）相關(guān)度很高,，但它也有其他用例。自推出以來,，GaN的發(fā)展歷程令人矚目,，隨著5G時(shí)代的到來，它可能會(huì)更加引人關(guān)注,。

GaN在雷達(dá)和太空領(lǐng)域的作用

GaN技術(shù)的兩種變體是GaN-on-silicon（GaN-on-Si）和GaN-on-silicon-carbide（GaN-on-SiC）,。據(jù)Microsemi射頻/微波分立產(chǎn)品部門工程總監(jiān)Damian McCann介紹，GaN-on-SiC對(duì)太空和軍用雷達(dá)的應(yīng)用貢獻(xiàn)很大,，今天,，RF工程師正在尋找新的應(yīng)用和解決方案，以利用GaN-on-SiC器件所實(shí)現(xiàn)的不斷提高的功率和效率性能水平,，特別是在太空和軍事雷達(dá)應(yīng)用中,。

“GaN是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有高硬度,、機(jī)械穩(wěn)定性,、熱容量、對(duì)電離輻射的極低靈敏度和導(dǎo)熱性,，以及通過巧妙的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更好的尺寸,、重量和功率（SWaP）優(yōu)勢。我們還看到GaN-on-SiC超越了多個(gè)與之競爭的技術(shù)，即使在較低的頻率下也是如此,?！?/p>

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將受益于GaN-on-SiC技術(shù)。McCann解釋說,，“熱耦合和高度集成的層壓板技術(shù),，與GaN-on-SiC結(jié)合使用，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以尋求更高水平的集成,，特別是擴(kuò)展主雷達(dá),，以覆蓋同一物理區(qū)域中的多個(gè)波段，增加二級(jí)雷達(dá)功能,。而在太空應(yīng)用中,，最近看到GaN-on-SiC可行性正在增加，特別是在GaN的效率與在更高頻率下工作的能力相輔相成的應(yīng)用中,。

他補(bǔ)充說：“毫米波（mmWave）GaN的功率密度帶來了一套新的設(shè)計(jì)技術(shù),，可以尋找更高水平的補(bǔ)償。解決方案必須超越功率補(bǔ)償中的功率和線性,，還需要在需要功率控制或運(yùn)行到可變的VSWR級(jí)別,。”

McCann還指出,，GaN-on-SiC技術(shù)可以替代舊的速調(diào)管技術(shù),。他說，“有源電子掃描陣列（AESAs）和相控陣元件在軍事和商業(yè)太空應(yīng)用中的普及也希望GaN-on-SiC基的單片微波集成電路（MMIC）達(dá)到新的功率水平,，甚至在某些情況下取代老化的速調(diào)管技術(shù),。

“然而，合格的0.15微米GaN-on-SiC晶圓代工廠數(shù)量有限,，是市場上的稀缺資源,，需要進(jìn)一步投資解決?！?/p>

GaN和5G通信

GaN技術(shù)不僅限于太空和雷達(dá)應(yīng)用,。它正在推動(dòng)蜂窩通信領(lǐng)域的創(chuàng)新。在未來的5G網(wǎng)絡(luò)中,，GaN有什么作用呢,？

Somit Joshi是Veeco Instruments的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）產(chǎn)品營銷高級(jí)總監(jiān)，他說,，“5G的蓬勃發(fā)展有望顛覆傳統(tǒng)的蜂窩通信,，為運(yùn)營商和服務(wù)提供商創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。5G目前正在計(jì)劃中,，移動(dòng)寬帶（手機(jī)/平板電腦/筆記本電腦）的傳輸速度超過10 Gbps,，與此同時(shí),，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的可實(shí)現(xiàn)超低延遲。

Joshi補(bǔ)充道,，“今天,，GaN正在逐步取代特定應(yīng)用中的硅（Si）（即4G / LTE基站的RF放大器）,。下一代5G部署將使用GaN技術(shù),，而在5G初期，在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中會(huì)越來越多地使用GaN-on-SiC,。5G將引入GaN-on-Si以與GaN-on-SiC設(shè)計(jì)相媲美,，并進(jìn)入小型蜂窩應(yīng)用，然后可能進(jìn)入毫微微蜂窩/家用路由器,，甚至手機(jī)中,。”

Joshi表示,，就5G網(wǎng)絡(luò)使用的更高頻率而言,，GaN技術(shù)將至關(guān)重要。他解釋說：“5G將在多個(gè)頻段逐步部署,，有兩個(gè)主要頻率范圍,，分別是用于廣域覆蓋的sub-6-GHz，以及用于體育場,、機(jī)場等高密度區(qū)域的20 GHz（mmWave）以上頻帶,。要想滿足嚴(yán)格的5G技術(shù)（更快的數(shù)據(jù)速率，低延遲,，大規(guī)模寬帶）要求,，需要新的GaN技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高的目標(biāo)頻率（即28 GHz和39 GHz頻段）?！?/p>

此外,，GaN技術(shù)將非常適合5G手機(jī)。Joshi補(bǔ)充道,，“從技術(shù)角度來看,，5G存在衰減問題，需要多個(gè)天線才能使用空間復(fù)用技術(shù)來提高信號(hào)質(zhì)量,。每個(gè)天線都需要專用的RF前端芯片組,。與砷化鎵（GaAs）和Si相比，GaN在相同功率水平下具有更少的天線數(shù)量,。由此產(chǎn)生的外形尺寸優(yōu)勢使GaN非常適合5G手機(jī)應(yīng)用,。”

此外,，更高的功率效率和更低的傳輸損耗可顯著降低功耗,。單片集成多個(gè)GaN晶體管開辟了新的功能和能力,。而在較低電壓（低于5 V）下工作時(shí)，GaN存在一些局限性,，目前,，工藝專家、IDM廠商和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)正在研究并力求解決這些問題,。

在制造方面,，最近，在GaN-on-Si上有效生長GaN層的工藝技術(shù)取得了進(jìn)步,，但是,，依然有一些問題需要解決，包括外延和下游器件加工和封裝的成本,，還有電荷捕獲和電流崩潰,。一些半導(dǎo)體設(shè)備廠商正在積極解決這些問題，以滿足可靠性要求,。

Veeco正在與領(lǐng)先的設(shè)備公司和研究機(jī)構(gòu)合作,，從事著GaN-on-Si的研發(fā)工作。首先,，必須在整個(gè)晶圓上沉積具有合適厚度和結(jié)構(gòu)組成均勻的外延層,，其通常包括超晶格?？蛻暨€要求使用尖銳的接口進(jìn)行精確的摻雜劑控制,，以優(yōu)化器件特性。還要求具備零存儲(chǔ)器缺陷,，以在特定層中有效地?fù)饺胫T如Mg和Fe的摻雜劑,。

針對(duì)上述需求，一種名為單晶圓TurboDisc的技術(shù)可以解決晶體管性能,、RF損耗,、諧波失真和器件可靠性等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，該技術(shù)可提供領(lǐng)先的摻雜劑控制和成分均勻性,，同時(shí)降低每晶圓外延生長成本,。這是通過利用Propel MOCVD系統(tǒng)的薄膜沉積控制來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量緩沖生長及其摻入此類摻雜劑的能力。

圖1：GaN MOCVD系統(tǒng)提供的薄膜沉積控制有助于提高緩沖質(zhì)量

由于相關(guān)工具和工藝仍需要成熟以提高產(chǎn)能,，因此,，GaN-on-Si和GaN-on-SiC的市場規(guī)模很小，挑戰(zhàn)仍然存在,，然而,，隨著5G應(yīng)用程序的流程和技術(shù)改進(jìn)，用例繼續(xù)激增,，其發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

超越功率放大器：基于GaN的低噪聲放大器

在RF /微波應(yīng)用中,，GaN技術(shù)通常與功率放大器相關(guān)聯(lián),。但是，一家名為Custom MMIC的公司  正在通過開發(fā)基于GaN技術(shù)的低噪聲放大器（LNA）來證明GaN確實(shí)具有其他用例,。

“我們經(jīng)常被問到：GaAs pHEMT LNA技術(shù)很成熟,，且應(yīng)用廣泛，為什么還要在微波頻率上開發(fā)一系列GaN HEMT LNA,？”Custom MMIC的高級(jí)應(yīng)用工程師Chris Gregoire說：“原因很簡單：GaN提供的不僅僅是低噪聲,。”

首先,，GaN具有更高的輸入功率生存能力,，可以大大減少或消除通常與GaAs pHEMT LNA相關(guān)的前端限制器,。通過消除限制器,，GaN還可以回收這種電路的損耗，從而進(jìn)一步降低噪聲系數(shù),。其次,，GaN LNA具有比GaAs pHEMT更高的輸出三階交調(diào)截點(diǎn)（IP3），這提高了接收器的線性度和靈敏度,。

Gregoire表示：“與GaAs工藝相比,，GaN具有這種優(yōu)勢的一個(gè)主要原因是其固有的高擊穿電壓。當(dāng)LNA過載時(shí),，柵極 - 漏極擊穿會(huì)導(dǎo)致失效,。GaAs pHEMT器件的典型擊穿電壓為5至15 V，嚴(yán)重限制了這些LNA可承受的最大RF輸入功率,。而GaN工藝的擊穿電壓范圍可擴(kuò)展到50至100V,，從而允許更高的輸入功率水平。此外,，較高的擊穿電壓允許GaN器件在較高的工作電壓下偏置,，這可以直接轉(zhuǎn)化為更高的線性度?！?/p>

“我們已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何最大化GaN的優(yōu)勢，并創(chuàng)造出具有最低噪聲系數(shù)以及高線性度和高生存能力的先進(jìn)LNA。因此,，GaN是所有高性能接收器系統(tǒng)的首選LNA技術(shù),，特別是在對(duì)抗擾性要求極高時(shí)，更加適用,?！?/p>

總而言之，GaN技術(shù)已成為射頻/微波行業(yè)的主要力量,。未來,，隨著5G通信的成熟,，其作用會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。雖然GaN和PA齊頭并進(jìn),，但人們不應(yīng)忽視業(yè)界正在利用該技術(shù)開發(fā)LNA的工作?，F(xiàn)在是時(shí)候?qū)⒕唾Y源投入到GaN的研發(fā)工作中去了，因?yàn)樗奈磥砗芄饷鳌?/p>