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來源：Microchip 作者：Mike Ziehl 與之前的砷化鎵（GaAs）和橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）一樣，氮化鎵（GaN）是一項革命性技術，在實現未來的射頻、微波和毫米波系統方面能夠發揮巨大作用。不過，它并不是一劑“靈丹妙藥”，其他技術仍然可以發揮重要作用。 當氮化鎵（GaN）射頻功率晶體管于 2000 年代中期在伊拉克和阿富汗戰場上應用到反簡易爆炸物裝置干擾器時，這項技術還處于起步階段。如今，在從國防到衛星通信和 5G 的各大市場中，GaN 分立器件和單片式微波集成電路（MMIC）儼然已成為砷化鎵（GaAs）的強大競爭對手。這種情況有著充分的理由：GaN 的功率密度極高，可以在給定的裸片面積上產生比用于產生射頻功率的任何其他半導體技術更高的射頻功率。此外，其工作電壓為 GaAs 器件的五倍，工作電流為 GaAs 器件的兩倍，10 GHz 以上時的功率附加效率更高，而且支持在高溫下工作。 那么，這是否意味著 GaN 將在所有應用中取代 GaAs？答案是否定的，這就是 Microchip 制造分立式以及 GaN 和 GaAs MMIC 產品并擁有業內最豐富的射頻半導體產品之一的原因，這些產品涵蓋從低噪聲放大器到前端模塊、射頻二極管、交換芯片、電壓可變衰減器、SAW 和 MEMS振蕩器以及將單片機與射頻收發器相結合的集成模塊（Wi-Fi® MCU）。 要了解上述所有技術最適合的應用，有必要說明每種技術的優勢。例如，GaAs 仍然是最通用的半導體材料，因為其應用范圍廣泛，從功率放大器到混頻器、交換芯片、衰減器、調制器和限流器以及太陽能電池、激光二極管和 LED。如果不使用 GaAs，某些應用將無法實現。 從 20 世紀 80 年代后期，GaAs 開始用于對有源相控陣雷達進行現代化改造，可以說這成就了智能手機和其他聯網設備。GaAs 器件還用于電纜系統分配放大器、微波點對點鏈路和許多其他最高 90 GHz 的射頻應用。不過，盡管可以使用 GaAs 構建相對高功率的放大器模塊，但采用GaN 時，只需更少的模塊即可實現更高的射頻輸出功率，而這一輸出功率將在未來幾年內繼續提高。 公平地說，值得注意的一點是，LDMOS 技術也會隨著時間的推移不斷發展，其優勢體現在超高的耐用性上，一些分立 LDMOS 晶體管能夠在大于 65:1 的阻抗失配下運行而不會發生降級或損壞，而 GaN 和 GaAs 目前的阻抗失配則限制在 20:1 左右。這些分立 LDMOS 晶體管還可以產生最高近 2 kW 的射頻輸出功率，不過頻率限制在 4 GHz 左右，因此，盡管它們在未來幾年仍然是 L 和 S 頻段雷達、廣播發射器、醫學成像系統、工業加熱和干燥應用中產生射頻功率的關鍵器件，但最終都會被 GaN 取代，因為后者的工作范圍可延伸到毫米波區域。 
如前面所述，GaN 的最大優勢之一在于其功率密度極高，因此能夠以比硅或 GaAs 小得多的柵寬產生極高的射頻功率。這樣便可在一個極為小巧的器件中產生十分驚人的射頻功率，因此GaN 非常適合新一代有源電子控制陣列（AESA）雷達和許多其他應用。GaN 的潛能才剛剛被發掘，未來至少可以實現 20 W/mm 的功率密度。 當然，能否實現取決于將熱量通過基板從裸片向外耗散到散熱片和散熱器（也可能是外部冷卻子系統）的速度和效率。盡管碳化硅（SiC）基板目前已十分常見，但金剛石或鋁-金剛石金屬基復合材料可能會更加普遍，因為金剛石是地球上所有材料中導熱率最高的物質。 與之前的 GaAs 和 LDMOS 一樣，GaN 是一項革命性技術，在實現未來的射頻、微波和毫米波系統方面能夠發揮巨大作用。不過，GaN 不是一劑“靈丹妙藥”，GaAs 仍將作為未來許多年的關鍵技術。Microchip 并未忘記這一事實，因此仍致力于優化 GaAs 的性能，同時還將在未來擴展其 GaN 產品組合。 |
