目前，氮化鎵（GaN）技術已經不再局限于功率應用，其優勢也在向射頻/微波行業應用的各個角落滲透，而且對射頻/微波行業的影響越來越大，不容小覷。因為它可以實現從太空、軍用雷達到蜂窩通信的應用。
雖然GaN通常與功率放大器（PA）相關度很高，但它也有其他用例。自推出以來，GaN的發展歷程令人矚目，隨著5G時代的到來，它可能會更加引人關注。
GaN在雷達和太空領域的作用
GaN技術的兩種變體是GaN-on-silicon（GaN-on-Si）和GaN-on-silicon-carbide（GaN-on-SiC）。據Microsemi射頻/微波分立產品部門工程總監Damian McCann介紹，GaN-on-SiC對太空和軍用雷達的應用貢獻很大，今天，RF工程師正在尋找新的應用和解決方案，以利用GaN-on-SiC器件所實現的不斷提高的功率和效率性能水平，特別是在太空和軍事雷達應用中。
“GaN是一種寬禁帶半導體材料，具有高硬度、機械穩定性、熱容量、對電離輻射的極低靈敏度和導熱性，以及通過巧妙的設計可實現更好的尺寸、重量和功率（SWaP）優勢。我們還看到GaN-on-SiC超越了多個與之競爭的技術，即使在較低的頻率下也是如此。”
系統設計人員將受益于GaN-on-SiC技術。McCann解釋說，“熱耦合和高度集成的層壓板技術，與GaN-on-SiC結合使用，使系統設計人員可以尋求更高水平的集成，特別是擴展主雷達，以覆蓋同一物理區域中的多個波段，增加二級雷達功能。而在太空應用中，最近看到GaN-on-SiC可行性正在增加，特別是在GaN的效率與在更高頻率下工作的能力相輔相成的應用中。
他補充說：“毫米波（mmWave）GaN的功率密度帶來了一套新的設計技術，可以尋找更高水平的補償。解決方案必須超越功率補償中的功率和線性，還需要在需要功率控制或運行到可變的VSWR級別。”
McCann還指出，GaN-on-SiC技術可以替代舊的速調管技術。他說，“有源電子掃描陣列（AESAs）和相控陣元件在軍事和商業太空應用中的普及也希望GaN-on-SiC基的單片微波集成電路（MMIC）達到新的功率水平，甚至在某些情況下取代老化的速調管技術。
“然而，合格的0.15微米GaN-on-SiC晶圓代工廠數量有限，是市場上的稀缺資源，需要進一步投資解決。”
GaN和5G通信
GaN技術不僅限于太空和雷達應用。它正在推動蜂窩通信領域的創新。在未來的5G網絡中，GaN有什么作用呢？
Somit Joshi是Veeco Instruments的金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）產品營銷高級總監，他說，“5G的蓬勃發展有望顛覆傳統的蜂窩通信，為運營商和服務提供商創造新的機會。5G目前正在計劃中，移動寬帶（手機/平板電腦/筆記本電腦）的傳輸速度超過10 Gbps，與此同時，物聯網（IoT）應用的可實現超低延遲。
Joshi補充道，“今天，GaN正在逐步取代特定應用中的硅（Si）（即4G / LTE基站的RF放大器）。下一代5G部署將使用GaN技術，而在5G初期，在宏蜂窩網絡中會越來越多地使用GaN-on-SiC。5G將引入GaN-on-Si以與GaN-on-SiC設計相媲美，并進入小型蜂窩應用，然后可能進入毫微微蜂窩/家用路由器，甚至手機中。”
Joshi表示，就5G網絡使用的更高頻率而言，GaN技術將至關重要。他解釋說：“5G將在多個頻段逐步部署，有兩個主要頻率范圍，分別是用于廣域覆蓋的sub-6-GHz，以及用于體育場、機場等高密度區域的20 GHz（mmWave）以上頻帶。要想滿足嚴格的5G技術（更快的數據速率，低延遲，大規模寬帶）要求，需要新的GaN技術來實現更高的目標頻率（即28 GHz和39 GHz頻段）。”
此外，GaN技術將非常適合5G手機。Joshi補充道，“從技術角度來看，5G存在衰減問題，需要多個天線才能使用空間復用技術來提高信號質量。每個天線都需要專用的RF前端芯片組。與砷化鎵（GaAs）和Si相比，GaN在相同功率水平下具有更少的天線數量。由此產生的外形尺寸優勢使GaN非常適合5G手機應用。”
此外，更高的功率效率和更低的傳輸損耗可顯著降低功耗。單片集成多個GaN晶體管開辟了新的功能和能力。而在較低電壓（低于5 V）下工作時，GaN存在一些局限性，目前，工藝專家、IDM廠商和相關研究機構正在研究并力求解決這些問題。
在制造方面，最近，在GaN-on-Si上有效生長GaN層的工藝技術取得了進步，但是，依然有一些問題需要解決，包括外延和下游器件加工和封裝的成本，還有電荷捕獲和電流崩潰。一些半導體設備廠商正在積極解決這些問題，以滿足可靠性要求。
Veeco正在與領先的設備公司和研究機構合作，從事著GaN-on-Si的研發工作。首先，必須在整個晶圓上沉積具有合適厚度和結構組成均勻的外延層，其通常包括超晶格。客戶還要求使用尖銳的接口進行精確的摻雜劑控制，以優化器件特性。還要求具備零存儲器缺陷，以在特定層中有效地摻入諸如Mg和Fe的摻雜劑。
針對上述需求，一種名為單晶圓TurboDisc的技術可以解決晶體管性能、RF損耗、諧波失真和器件可靠性等嚴峻挑戰，該技術可提供領先的摻雜劑控制和成分均勻性，同時降低每晶圓外延生長成本。這是通過利用Propel MOCVD系統的薄膜沉積控制來實現高質量緩沖生長及其摻入此類摻雜劑的能力。
圖1：GaN MOCVD系統提供的薄膜沉積控制有助于提高緩沖質量
由于相關工具和工藝仍需要成熟以提高產能，因此，GaN-on-Si和GaN-on-SiC的市場規模很小，挑戰仍然存在，然而，隨著5G應用程序的流程和技術改進，用例繼續激增，其發展潛力巨大。
超越功率放大器：基于GaN的低噪聲放大器
在RF /微波應用中，GaN技術通常與功率放大器相關聯。但是，一家名為Custom MMIC的公司 正在通過開發基于GaN技術的低噪聲放大器（LNA）來證明GaN確實具有其他用例。
“我們經常被問到：GaAs pHEMT LNA技術很成熟，且應用廣泛，為什么還要在微波頻率上開發一系列GaN HEMT LNA？”Custom MMIC的高級應用工程師Chris Gregoire說：“原因很簡單：GaN提供的不僅僅是低噪聲。”
首先，GaN具有更高的輸入功率生存能力，可以大大減少或消除通常與GaAs pHEMT LNA相關的前端限制器。通過消除限制器，GaN還可以回收這種電路的損耗，從而進一步降低噪聲系數。其次，GaN LNA具有比GaAs pHEMT更高的輸出三階交調截點（IP3），這提高了接收器的線性度和靈敏度。
Gregoire表示：“與GaAs工藝相比，GaN具有這種優勢的一個主要原因是其固有的高擊穿電壓。當LNA過載時，柵極 - 漏極擊穿會導致失效。GaAs pHEMT器件的典型擊穿電壓為5至15 V，嚴重限制了這些LNA可承受的最大RF輸入功率。而GaN工藝的擊穿電壓范圍可擴展到50至100V，從而允許更高的輸入功率水平。此外，較高的擊穿電壓允許GaN器件在較高的工作電壓下偏置，這可以直接轉化為更高的線性度。”
“我們已經學會了如何最大化GaN的優勢，并創造出具有最低噪聲系數以及高線性度和高生存能力的先進LNA。因此，GaN是所有高性能接收器系統的首選LNA技術，特別是在對抗擾性要求極高時，更加適用。”
總而言之，GaN技術已成為射頻/微波行業的主要力量。未來，隨著5G通信的成熟，其作用會進一步擴大。雖然GaN和PA齊頭并進，但人們不應忽視業界正在利用該技術開發LNA的工作。現在是時候將精力和資源投入到GaN的研發工作中去了，因為它的未來很光明。