为什么氮化镓(GaN)成为第三代半导体材料的杰出代表

基于GaAs 的LNA 的一个代表是HMC519LC4TR。这是一种来自Analog Devices 的18 到31 GHz pHEMT(假晶高电子迁移率晶体管)器件。这种无引线4×4 mm 陶瓷表面贴装封装可提供14 dB 的小信号增益，以及3.5 dB 的低噪声系数和+ 23 dBm 的高IP3。该器件可从单个+3 V 电源提取75 mA 电流。

氮化镓(GaN)半导体技术已经发展了几十年，因其内在特性，被认为是强大的半导体技术。GaN 器件，如射频功率放大器或射频开关，广泛应用于各种高功率或其他应用。随着开发技术、晶片尺寸增加和设计专业知识/工具提升，使用GaN器件的应用不断增长。主要包括有致力于互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的GaN技术，垂直GaN晶体管以及工作在数百千兆赫(GHz)甚至太赫兹(THz)的GaN器件。在绝缘体上GaN技术的两种最常见的变体中，碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)上的GaN在功率应用中超过了Si(硅)上的硅基氮化镓(GaN-Si)，因为Si上的GaN往往表现出更高的外延缺陷，而Si的热导率远低于SiC。还有其他小众绝缘体上的GaN技术，如金刚石基GaN和蓝宝石基GaN，但由于成本高和可用性有限，这些类型通常仅用于高功率军事、航空航天和工业应用。

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的杰出代表，在T=300K时展现出卓越的性能，成为半导体照明中发光二极管的核心成分。这种人造材料，尽管在自然界难以形成，但在实验室条件下，通过2000多度的高温和近万个大气压的环境，可以成功将金属镓与氮气合成氮化镓。与前两代半导体材料相比，GaN在电和光的转化方面表现出色，微波信号传输效率更高，因此广泛应用于照明、显示、通讯等多个领域。1998年，美国科学家更是突破性地研制出了首个氮化镓晶体管。

由于氮化镓拥有较宽的禁带宽度，达到3.4eV，且与蓝宝石等材料结合作为衬底，其散热性能优异，非常适合器件在大功率环境下工作。随着对Ⅲ族氮化物材料及其器件的深入研究与开发，GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已成功实现商业化。如今，全球各大公司和研究机构都在激烈竞争，争相投入巨资开发蓝光LED技术。新型电子器件,GaN的宽禁带宽度(3.4eV)以及与蓝宝石等材料的优异衬底结合，赋予了它出色的散热性能，从而确保了器件在大功率条件下的稳定工作。

光电器件

GaN材料系列在短波长发光器件领域也展现出卓越性能。其带隙广泛覆盖从红色到紫外的光谱范围，为各种光电器件的应用提供了坚实的基础。自1991年日本成功研制出同质结GaN蓝色LED以来，InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED以及InGaN单量子阱GaNLED等创新产品相继涌现。目前，Zcd和6cd单量子阱GaN蓝色和绿色LED已进入大规模生产阶段，填补了市场上蓝色LED的长期空白。蓝色发光器件在高密度光盘、全光显示以及激光打印机等领域的应用潜力巨大。随着Ⅲ族氮化物材料和器件研究的不断深入，GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已实现商业化，全球各大公司和研究机构正竞相投入巨资，争夺蓝光LED市场的领先地位。

1993年，Nichia公司取得了重大突破，他们成功研制出了一种高亮度GaInN/AlGaN异质结蓝光LED，其发光亮度超越了lcd。这款LED以掺Zn的GaInN为有源层，外量子效率高达2.7%，峰值波长精准地位于450nm，并实现了商业化。仅两年后，该公司又推出了光输出功率为2.0mW、亮度达6cd的商品化GaN绿光LED，其峰值波长为525nm，半峰宽为40nm。最近，Nichia公司更是利用其蓝光LED和磷光技术，创新地推出了白光固体发光器件，色温为6500K，效率高达7.5流明/W。

对性能、微型化和更高频率运行的推动正在挑战无线系统的两个关键天线连接元器件的限制：功率放大器(PA) 和低噪声放大器(LNA)。使5G 成为现实的努力，以及PA 和LNA 在VSAT 端子、微波无线电链路和相控阵雷达系统中的使用促成了这种转变。

这些应用的要求包括较低噪声(对于LNA)和较高能效(对于PA)以及在高达或高于10 GHz 的较高频率下的运行。为了满足这些日益增长的需求，LNA 和PA 制造商正在从传统的全硅工艺转向用于LNA 的砷化镓(GaAs) 和用于PA 的氮化镓(GaN)。

LNA 的作用是从天线获取极其微弱的不确定信号，这些信号通常是微伏数量级的信号或者低于-100 dBm，然后将该信号放大至一个更有用的水平，通常约为0.5 到1 V。具体来看，在50 Ω 系统中10 μV 为-87 dBm，100 μV 等于-67 dBm。利用现代电子技术可以轻松实现这样的增益，但LNA 在微弱的输入信号中加入各种噪声时，问题将远不是那么简单。LNA 的放大优势会在这样的噪声中完全消失。注意，LNA 工作在一个充满未知的世界中。作为收发器通道的前端，LNA 必须能捕捉并放大相关带宽内功耗极低的低电压信号以及天线造成的相关随机噪声。在信号理论中，这种情况称作未知信号/未知噪声难题，是所有信号处理难题中最难的部分。

功耗和能效在LNA 中通常不属于首要问题。就本质而言，绝大多数LNA 是功耗相当低且电流消耗在10 - 100 mA 之间的器件，它们向下一级提供电压增益，但不会向负载输送功率。此外，系统中仅采用一个或者两个LNA(后者常用于Wi-Fi 和5G 等接口的多功能天线设计中)，因此通过低功耗LNA 节能的意义不大。除工作频率和带宽外，各种LNA 相对来讲在功能上非常相似。一些LNA 还具有增益控制功能，因此能够应对输入信号的宽动态范围，而不会出现过载、饱和。在基站至手机通道损耗范围宽的移动应用中，输入信号强度变化范围如此之宽的情况会经常遇到，即使单连接循环也是如此。

输入信号到LNA 的路由以及来自其输出信号与元器件本身的规格一样重要。因此，设计人员必须使用复杂的建模和布局工具来实现LNA 的全部潜在性能。由于布局或阻抗匹配不佳，优质元器件可能容易劣化，因此务必要使用供应商提供的史密斯圆，以及支持仿真和分析软件的可靠电路模型。由于这些原因，几乎所有在GHz 范围内工作的高性能LNA 供应商均会提供评估板或经过验证的印刷电路板布局，因为测试设置的每个方面都至关重要，包括布局、连接器、接地、旁路和电源。没有这些资源，设计人员就需要浪费时间来评估元器件在其应用中的性能。

氮化镓(化学式GaN)是一种无机化合物，其晶体结构类似纤锌矿，硬度极高。它的禁带宽度为3.4eV(电子伏特)，属于直接带隙半导体，这使得它在高功率、高频电子器件和光电器件中表现优异。‌耐高温性‌：可在1700℃高温下保持稳定，抗辐射和耐酸碱腐蚀。‌电子性能‌：电子饱和漂移速度高(约2.5×1072.5×107 cm/s)，适合高频应用如5G通信射频功率放大器。

‌光电器件‌：早期用于发光二极管(LED)，尤其是紫光激光二极管(405nm)，无需复杂泵浦技术即可生成激光。‌电力电子‌：用于氮化镓充电器，通过高频开关(MHz级)缩小体积，提升效率(如65W充电器仅传统硅基一半大小)。‌通信技术‌：5G基站的高频功率放大器依赖GaN的高电子迁移率和低能耗特性。

2014年诺贝尔物理学奖授予赤崎勇、天野浩和中村修二，表彰其在GaN基LED的贡献。目前，GaN正逐步替代硅基材料，尤其在快充领域(如华为、小米的氮化镓充电器)和新能源汽车电源系统中。作为第三代半导体代表，GaN在智能电网、数据中心电源等领域仍有待开发潜力，其宽禁带特性可支持更高电压和更高效能源转换。