科普｜开拓 GaN 技术市场

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氮化镓 (GaN) 晶体管于 20 世纪 90 年代亮相，目前广泛应用于商业和国防领域，但工程应用可能大相径庭。不相信？可以理解。但在您阅读本书之后，可能会成为忠实支持者。

GaN 的普及根植于其高电源和高电压功能。这些特性使其适用于许多应用，包括微波射频 (RF) 和功率开关应用。

GaN 独特的材料属性使其成为许多应用全新首选技术，如 5G 通信、汽车、照明、雷达和卫星应用。但 GaN 制造商和开发人员并不止步于此。他们继续通过技术革命来推进 GaN 的发展。这些创新将在未来继续开拓新的应用领域。

本书提供了牢固的 GaN 基础知识。它着眼于技术和 GaN 实现的驱动因素，以帮助您了解普及 GaN 的益处。它还调查了目前各行各业使用 GaN 的成熟和前沿应用。阅读本书之后，您将了解 GaN 如何在电子工程行业掀起一场革命，及其如何继续保持这一势头。

氮化镓 (GaN) 技术是一项相对较新的半导体技术，正在彻底改变当今世界。GaN 的优势源于其独特的材料属性 ：宽带隙、高击穿电压、高热导率、高电子迁移率和高饱和电子速度。

本章首先介绍关于 GaN 及其优势的一些基本事实，然后对使用 GaN 的行业和应用进行调查。

GaN ：过去和现在

20 世纪 90 年代初，人们首次认识到 GaN 作为一种大功率和高频半导体晶体管材料的潜力，并开始不断探索。到 2000 年代中后期，GaN 就已经用于国防和航天领域的生产应用，以及固态照明发光二极管 (LED) 的商业应用。

自那时起，GaN 逐渐被射频 (RF) 电子领域接受，并广泛部署于 5G 等商业无线应用。GaN 材料的改进可实现高功率密度、高效率射频放大器，并推动了射频技术的应用。

像砷化镓 (GaAs) 和磷化铟镓 (InGaP) 一样，GaN 是一种 III-V 直接带隙半导体技术。III-V 化合物半导体是一种含有元素周期表中 III 和 V 族元素的合金。（我们将在第 2 章详细地讨论这些内容。）

许多半导体市场分析师仍将 GaN 描述为一项相对较新的技术。然而，在短短的几年时间里，GaN 已经从新秀一跃成为许多应用领域的领跑者。GaN 不仅取代了根深蒂固的现有硅技术，如横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS)，而且在与 GaAs 等其他技术组合使用时，还有助于提高整体系统性能。

GaN 能够补充 GaAs 等现有技术的不足，从而有助于加快其在国防与商业应用领域的普及。GaN 还有助于提高系统性能，以满足下一代系统对更高功率、频率和效率的要求。因此，它开始成为带宽更宽、频率更高的全新射频应用的首选技术。

了解 GaN 的全球市场影响力

GaN 市场已经突破了 10 亿美元大关。GaN 能够满足极端温度、宽带宽、大功率、高电压和高输入功率等要求，这些独特的优势使其能够同时进入许多市场领域，如图 1-1 中所示。

主要市场为国防、航天、电信基础设施和卫星通信。但 GaN 还可用于许多其他应用。为了保持完整性，这里有一个更全面的列表，描述了图 1-1 所示每个高级市场的次级市场 ：

图 1-1 ：GaN 射频技术和市场。

» 国防和航天

◦ 电子战干扰发射器
◦ 国防通信，包括战术无线电、卫星通信、数据链路
◦ 国防雷达，包括空中、陆基和海军雷达
◦ 民用雷达，包括航空交通管制和气象雷达
◦ 卫星通信，包括国防和民用卫星通信

» 无线基础设施

◦ 宏/微基站，包括远程无线电头端 (RRH) 和有源天线系统 (AAS)
◦ 小基站
◦ 无线回程

» 有线宽带

» 射频能量

◦ 医学
◦ 工业
◦ 科学
◦ 汽车

» 测试与测量

GaN 用于国防领域

GaN 在国防领域一直处于领先，并将继续保持领先地位。GaN 在提高军事系统性能方面发挥着关键作用，如有源电子扫描阵列 (AESA) 雷达和电子战 (EW) 系统，这两种系统都需要大功率、小巧外形和高效散热性能。在满足许多国防应用的高功率密度、高效率、宽带宽和长使用寿命需求方面，GaN 可提供有效的解决方案。

GaN 用于 5G 电信领域

通过实现大规模 MIMO 无线基站，5G 开创了多输入 / 多路输出 (MIMO) 技术的新时代。当您推出 5G 基础设施时，大规模 MIMO 系统可帮助无线网络运营商提高性能，最小化成本并提高容量。

随着向大规模 MIMO 过渡，业界开始从 LDMOS 功率放大器转向运行温度更低、外形更小巧、功率更大的 GaN 基解决方案。下面是与 LDMOS 相比，碳化硅 (SiC) 基 GaN 技术用于基站的一些关键优势 ：

» 阵列更小 ：因为与 LDMOS 相比，GaN on SiC 具有更高的功率输出和出色的散热性能，所以无线网络运营商可利用较小型阵列实现相同的输出功率。GaN on SiC 的阵列大小最多比 LDMOS 小 20%。

» 可靠性 ：即使在高温条件下，GaN 也能可靠运行。这对于 5G 基站来说至关重要，因为这些系统开始从无线发射塔下方的空调房间搬到塔顶。即使在恶劣的塔顶环境下，GaN on SiC 也具有较高的可靠性。

» 散热性能更出色 ：GaN on SiC 的热导率比 LDMOS 更高，所以可以更有效地散热，从而实现运行温度更低的系统。

» 工作频率更高 ：与 LDMOS 不同的是，GaN on SiC 可在 5G 使用的 6 GHz 以下和毫米波 (mmWave) 频率范围内工作，同时效率提高 10% 到 15%。

» 重量更轻 ：重量是基站应用的一个重要因素，也是更小巧外形之所以重要的关键原因。GaN 的效率更高，因而可使用尺寸更小的散热器，从而可缩减整个系统的尺寸和重量。对于在塔上安装 5G 的人员来说，这是非常重要，因为重量更轻意味着安装更简单。

要想充分发挥 5G 的多 Gbps 数据传输速度和超低延迟潜力，移动运营商必须提高系统性能。这意味着，它们需要对频谱采集、网络基础设施和传输技术进行大量投资。在 6 GHz 以下和毫米波频率范围内运行的大规模 MIMO 无线基站是其中一项最重要的 5G 传输技术。

大规模 MIMO 基站使用许多天线传输和接收数据，而不是传统无线通信中通常使用的单天线。这些大规模 MIMO 系统支持空间复用，其中每个信道都向接收器传送独立信息。这可提高信号可靠性，并大幅提升吞吐量。

那么，5G 大规模 MIMO 基站系统需要什么样的射频前端 (RFFE) 组件呢？它们必须为具有高线性度、极高效率和低功耗的集成组件。GaN 满足这些要求。此外，在 RFFE 中使用 GaN 可减少大规模 MIMO 阵列所需有源元件的数量，以满足基站系统输出功率要求，如等效全向辐射功率 (EIRP)。

EIRP 是在给定天线增益和射频子系统发射器功率的情况下，天线阵列所能辐射的最大功率。通过使用 GaN，系统设计人员可以轻松地实现每个塔的 5G 指定 EIRP 级别。此外，他们还可以使用更少、更小的天线来实现这一目标，从而以更低的资本支出更快速地进入市场。

比较 GaN 与其他技术

尽管 GaN 逐渐在越来越多的市场领域取代其他技术，但仍有一些现有技术直接与 GaN 竞争。最后，GaN 可为系统设计人员和设备工程师提供另一种技术选择，以打造一流产品，同时最小化系统与用户需求之间的权衡。

在任何射频系统中，最优技术都取决于设计人员所要实现的性能参数。在大多数应用中，技术选择取决于频率、功率水平、效率、尺寸和价格。可用的主要技术选项包括碳化硅 (SiC) 基 GaN、硅 (Si) 基 GaN、GaAs 和 LDMOS。表 1-1 比较了它们的特性及适用的射频应用。

快速浏览此表，您就会明白为什么全球开始抛弃 LDMOS。GaN 可为进行系统开发的设计人员提供全面的竞争优势，满足其功率、宽带宽、高工作电压和高散热性能等要求。

因此，许多工程师都想知道 GaN 最终是否会取代 LDMOS 等技术。要回答这个问题，我们先来看看以下这些关键问题 ：

» GaN 是否支持现有应用和新应用？

» 它是否易于使用？是否提供即插即用的替换件？

» 它是与当前技术一样可靠，还是比当前技术更加可靠？

GaN 已经能够满足取代现有技术的所有先决条件，尤其是在 5G 等新应用领域。5G 领域的 GaN 已经支持更快的数据传输速度、更大的射频范围、更高的温度稳定性、较高输入功率水平稳定性、更小巧的尺寸以及更高效的功耗。

如前所述，GaN 射频系统得益于其独特的材料属性：宽带隙、高电荷密度、高电子迁移率和高温耐受性。这些属性可转化为高功率附加效率 (PAE)、高功率输出、小巧外形、宽带宽和耐用性等射频优势。通过利用 GaN 的高 PAE 和高工作电压优点，系统能够以更低的工作电流和成本运行。此外，系统设计人员还可以减少系统设计所需的组件数量，从而节省设计时间，加快上市步伐。除了高热导率外，GaN 还因其低辐射灵敏度而知名。

从表 1-1 中我们可以猜测出，GaN 的制造工艺主要使用碳化硅或硅基板（分别为 GaN on SiC 和 GaN on Si）。每种基板都有其自己的优势。与碳化硅相比，硅基板的成本相对更低。然而，从许多方面来看，与 GaN on Si 相比，GaN on SiC 的可靠性和功率性能更高，因此更具优势，如图 1-2 中所示。这使得 GaN on SiC 成为 5G 电信、国防、航天等许多应用领域的最佳之选。

图 1-2 ：GaN on SiC 和 GaN on Si 的优势比较。

图 1-2 突出显示了 GaN on SiC 和 GaN on Si 基板之间区别。此外，我们还发现人造金刚石是另一种替代基板材料。Si 基板的成本最低，但散热性能也最低，而金刚石基板的成本最高，但散热性能最高。然而，成本和散热性能之间的最佳平衡是 SiC 基板材料。因此，SiC 基板最常用于高功率、高效率的应用，尤其是国防和基础设施领域。

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