氮化镓在射频通信中应用

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氮化镓并非革命性的晶体管技术,这种新兴技术逐渐用于替代横向扩散金属氧化物硅半导体(Si LDMOS)和砷化镓(GaAs)晶体管技术以及某些特定应用中的真空管。

与现有技术相比,氮化镓(GaN)的优势在于更高的漏极效率、更大的带宽、更高的击穿电压和更高的结温操作,这些特点经常作为推动其批量生产的重要因素,但在价格、可用性和器件成熟度方面还需加以综合考量。

氮化镓(GaN)适合的应用有:

1. 无线通信应用
• LTE(长期演进,0.7到2.6GHz)
• 3G BTS [基站] (0.8到2.7GHz)
• Wi-MAX (2.3 to 5GHz)
2. 国防应用
• 雷达
• 电子对抗
3. 数据广播应用
• 有线电视(CATV)(小于1GHz)
• 卫星通信(13GHz到14GHz)
• 甚小孔径终端(VSAT)(12GHz到40GHz)

氮化镓(GaN)器件市场预计在2007年会到达1600万美元,其中的70%用于研发项目和技术评估。国防项目占其市场总额的11%,这在很大程度上归因于美国国防部(DOD)或者美国国防部高级研究计划局(DARPA)的合同,以及欧洲航天局(ESA)的研发合同。整体市场有望在2008年翻一番。

乐观人士预计,到2012年,这一市场将增至1.7亿美元,主要因为:

• 氮化镓(GaN)全面进入3G基站市场,取代横向扩散金属氧化物硅半导体(Si LDMOS)。
• 国防市场保持热度并继续为新的氮化镓(GaN)研发项目提供资金
• Wi-MAX产业广泛采用氮化镓(GaN)技术,随着2010年LTE网络推出,这一情况进一步加强。

这种预测基于一个错误的假设,即横向扩散金属氧化物硅半导体(Si LDMOS)和砷化镓(GaAs)技术的发展停滞不前。在民用市场,横向扩散金属氧化物硅半导体(Si LDMOS)在价格和性能上可能会对氮化镓(GaN)造成强有力的挑战,例如LTE和CATV市场,如果Wi-MAX继续限定在3.5GHz子频谱上,那么氮化镓(GaN)在Wi-MAX市场前景黯淡。对于甚小孔径终端(VSAT)应用,砷化镓(GaAs)在价格和性能上可能会对氮化镓(GaN)造成强有力的挑战。这些因素相结合,可能令2012年氮化镓(GaN)市场的乐观预计下降达50%。

氮化镓(GaN)晶体管技术最有可能的长期客户是国防市场和卫星通信市场。这两个市场目前正在全球资助研发项目,并且愿意支付额外经费,确保氮化镓(GaN)拥有更成熟的半导体技术,从而获得可靠的益处。预计国防市场的价值将2012年达到4000万美元,而卫星通信市场的估值在100万美元。

公布的氮化镓(GaN)器件性能

在MTT-S国际微波研讨会(IMS 2008)上,许多公司都宣布经过证实的性能记录,作为当今器件基准:

这些记录是:

1. RFMD推出了400W、2.9到3.5GHz的氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT),用于雷达系统中的批量发射机。该公司宣称其在200C结温下的可靠性为1E6小时,特别适合用于替换行波管的固态设计。

2. 东芝推出了一系列50W X频带窄带器件,其工作频率在8到12GHz的频带范围内。东芝还推出了用于卫星通信的50W Ku频带器件,采用14.0GHz到14.5GHz 的频带。东芝宣称其2010年产品研发路线图包括推出一个150W C频带器件,一个100W X频带器件,一个100W Ku频带器件和一个10W Ka频带器件(18到 42GHz)。

3. 松下宣布针对未来毫米波通信系统的接收机开发氮化镓(GaN)集成电路(IC)。已经开发出的放大器IC可在26GHz频率下达到22dB的增益,在如此之高的频率上,这个增益值创造了氮化镓(GaN)类IC的世界记录。

4. CREE公司宣称实现了最高的漏极效率,即在500MHz到2.5GHz范围内对于90W的器件漏极效率可达55%。

来自CREE、Nitronex、RFMD和Eudyna这些关键厂商的现成商业器件性能可靠,并且针对低频(小于6GHz)的国防应用或窄带无线通信应用经过优化。有了适当的结合技术,例如MILMEGA公司使用的技术,它们展现出将来有能力在X频带和Ku频带建设高功率固态发射机结构,类似于目前在L、S和C频带使用的技术。

供应链方面的考虑

美国的氮化镓(GaN)公司,例如Nitronex和RFMD,在研发和工艺改进方面显然从巨额的军费预算投入中获得了好处。Nitronex现在使用军费资金解决目前的产能问题,并将这些资金特别用于提高产量。有趣的是Nitronex尚未实现盈利。

MILMEGA认为由于国际军火交易条例(ITAR)的限制,总是很难了解美国功率晶体管技术的当前状态,但正是美国开发出最为合适的器件。

我们感兴趣的是,作为氮化镓(GaN)功率晶体管的使用者,作为欧洲的厂商,UMS利用自身与NXP以及其他厂家的关系,形成了氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)的独立来源,用于电子对抗应用中新一代的电源模块。

NXP被公认为对于氮化镓(GaN)市场的整体前景判断最为清晰的公司之一。它指出对于世界上仅有的三家射频氮化镓(GaN)厂商而言,总会有足够的业务。NXP预测,这些业务将均匀分配至亚洲、美国和欧洲——清晰表明,国家利益在氮化镓(GaN)产业的发展中扮演着强有力的角色。

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