用于下一代射频应用的氮化镓 (GaN) 概述

近二十年来，氮化镓 (GaN) 半导体技术已被曝光，预示着射频功率能力的范式转变。尽管所有这些承诺尚未兑现，但 GaN 器件已稳步进入许多射频、微波、毫米波 (mmWave)，甚至现在甚至是太赫兹波 (THz) 应用。

正在进行的开发工作使 GaN 有源器件能够覆盖广泛的用例，包括极端温度、功率和频率范围。这些应用包括 6 GHz 以下和毫米波 5G 基础设施设备。进一步的发展旨在降低 GaN 器件的成本，并增强 GaN 与包括 CMOS 在内的其他常见工艺的集成能力。

GaN今天的位置

当今最常见的 GaN 器件是构建为放大器电路的 GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT)。这些 GaN HEMT 中的大多数用于功率放大应用。然而，GaN HEMT 和其他晶体管变体也可用于低噪声和宽带放大器。GaN 开关和二极管也变得越来越普遍，通常取代砷化镓 (GaAs)、硅 (Si)、硅锗 (SiGe) 或磷化铟 (InP) 器件。基于 GaN 的 HEMT 可以在涉及高频操作和低通态电阻的电路拓扑结构中提供效率和功率密度方面的主要收益。

对于高功率或高耐久性应用，GaN 比 GaAs 或 InP 更受青睐的原因是 GaN 器件具有比其他半导体高得多的击穿电压(临界场)和带隙。除了高饱和速度和良好的电子迁移率外，GaN 器件还可以提供高效放大和良好的功率附加效率 (PAE)，这对于 5G 和 Wi-Fi 等通信应用至关重要。

常见的 GaN变体

硅上氮化镓 (GaN-on-Si)

碳化硅上氮化镓 (GaN-on-SiC)

GaN-on-GaN

金刚石基氮化镓

常见的 GaN器件

功率放大器 (PA)

坚固的低噪声放大器 (LNA)

宽带放大器

开关

二极管

此外，GaN 器件，尤其是 GaN-on-insulator 器件，例如 GaN-on-SiC，通常比其他半导体更坚固耐用，并且在某些情况下具有更好的导热性。这些因素说明了为什么 GaN 放大器通常比其他半导体具有更高的功率密度和耐用性，这使得 GaN 器件在军事、航空航天和工业应用中更具吸引力。在某些情况下，例如 5G 和未来的 6G 毫米波通信，GaN 发射器可以表现出比 GaAs 发射器更高的功率和效率，这可能允许更少的阵列元件和更紧凑且成本更低的有源天线系统 (AAS)。

氮化镓在射频领域的未来

当前大多数 GaN 晶体管基于横向异质结技术，主要是 Si 或 SiC 衬底上的铝-GaN 和 GaN HEMT。使用横向晶体管技术，最终会限制器件在给定的半导体材料占位面积内所能达到的电压/功率限制。然而，垂直构建晶体管是可能的。使用垂直晶体管技术可能会增加 GaN 器件的整体功率密度，并且对于给定的功率/电压能力需要更少的芯片面积。这不仅会导致 GaN 晶体管更紧凑，而且由于每个器件所需的晶圆面积减少，因此成本可能低于同等性能的横向器件。

为了实现这一点，垂直 GaN 工艺很可能是一种 GaN-on-GaN 技术，它受到 GaN 晶圆成本和尺寸限制。随着高压技术的发展，其他可能性还包括增强型 GaN 器件，例如 FinFET 和可能的沟槽 MOSFET。

在这成为可能之前，仍有许多工艺障碍需要克服，但在接下来的几年中，拥有与 CMOS 兼容的 GaN 工艺可能是可行的。这将使高频和高功率 GaN 器件与高密度存储和数字逻辑电路的集成成为可能。因此，可以构建整个大功率和高频通信片上系统(SoC);这些器件将集成射频收发器、现场可编程门阵列 (FPGA)、处理器和数据存储。