射频GaN走向主流应用：看其市场机遇及全球Foundry代工厂巡览

常见的射频半导体工艺，砷化镓GaAs、SiGe、RF CMOS、Ultra CMOS、Si BiCMOS、氮化镓GaN，你知道几种？今天，我们主要说说氮化镓（GaN）技术。
 

射频氮化镓技术是5G的绝配

虽然氮化镓用到手机上还不现实，但业界还是要关 注射频氮化镓技术的发展。“与砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS和碳化硅（SiC）等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。” 分析机构Strategy Analytics的分析师Eric Higham说。
　

“氮化镓器件的瞬时带宽更高，这一点很重要，载波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了得到更大的带宽。”Higham说，“这意味着覆盖系统的全部波段和频道只需要更少的放大器。”

氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）是射频应用中常用的三五价半导体材料，LDMOS（横向扩散MOS技术）是基于硅的射频技术，碳化硅（SiC）可用于功率或射频领域。
　

可以肯定的是，氮化镓不会统治整个射频应用，设备厂商会像以前一样，根据应用选择不同的器件和工艺制程技术，包括三五价化合物与硅材料。“（射频领域）还是有砷化镓与硅器件的市场空间。”GlobalFoundries射频市场总监Peter Rabbeni说道。
　

什么是氮化镓？

氮化镓技术可以追溯到1970年代，美国无线电公司（RCA）开发了一种氮化镓工艺来制造LED。现在市场上销售的很多LED就是使用蓝宝石衬底的氮化镓技术。
　

除了LED，氮化镓也被使用到了功率半导体与射频器件上。  基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。“我们相信，氮化镓在600V功率器件市场将占有主要优势。”英飞凌氮化镓全球应用工程经理Eric Persson说道。
　

氮化镓功率器件还是一个新事物，一时半会儿不会取代现在600V的主流技术--功率MOSFET。“要最大限度发挥（GaN功率技术的）作用，必须采用新型拓扑。”Persson说道。
　

但射频氮化镓技术正在成为主流。根据Strategy Analytics的统计，2015年射频氮化镓市场规模达到3亿美元，该机构预测2020年射频氮化镓市场可达6.885亿美元。

2015年射频氮化镓应用市场分布图

（数据来源于YOLE）

氮化镓可用于制造场效应管（FET）。平面氮化镓场效应管和硅基的MOSFET类似，通过栅极控制电流从源极流向漏极。
　

不过制造工艺上氮化镓和CMOS不同。氮化镓的衬底是在高温下利用金属有机气相沉积（MOCVD）或者分子束外延（MBE）技术生长的。氮化镓与一般半导体材料的最大区别是禁带更宽。禁带宽度是表征价电子被束缚强弱程度的一个物理量，禁带越宽，对价电子的束缚越紧，使价电子摆脱束缚成为自由电子的能量越大。禁带宽度也决定了自由移动电子的质量。
　

氮化镓的禁带宽度是3.4 eV（电子伏特），另一种宽禁带材料碳化硅是3.3eV，对比一下，现在的射频工艺砷化镓（GaAs）的禁带宽度是1.4eV，而硅是1.1eV。
　

用氮化镓和碳化硅等宽禁带材料制造的芯片能够承受更高的电压，所以与其他技术相比，输出能量密度更高，可工作环境温度也更高。“此外，氮化镓器件在技术上还有很多优势，例如更高的输出阻抗。高输出阻抗可以使氮化镓器件的阻抗匹配和功率组合更容易，这样可以覆盖更宽的频率范围，提高射频功放器件的适用性。”NI AWR事业部技术市场总监David Vye说道。
　

氮化镓器件有什么缺点呢？缺点就是太贵了，现在绝大部分射频氮化镓器件是用又贵又小的碳化硅做衬底生产的。氮化镓具备独特的宽禁带特性，但太贵了！

除了成本，射频氮化镓器件也有一些其他的问题。“设计工程师需要精确的氮化镓器件模型来进行电路仿真，完成现代通信系统所需要的高效率、高线性度的功放阻抗匹配与偏置电路设的设计。”Vye说道，“此外，工程师正准备把氮化镓应用到一些新领域，例如包络跟踪、数字预校正、谐波负载牵引测试仿真技术等。这些应用都依赖极大的数据集，因为要求测试系统又快又准确，还要自适应。”
　

一、市场机遇
　

GaN现在和GaAs器件的发展类似，期望GaN的市场能够成熟起来，让其可做的器件变得多起来，特别是在高功率市场方面。随着技术的更新换代和成本的降低，预测GaN将会为功率放大器提供最好的价值功能，找到最优的平衡。现在在军民融合的大潮下，性能的要求更加凸显：

　　发射功率

　　效率

　　线性度

　　频率

　　带宽

　　工作温度

　　……

GaN已经在大部分高功率军事应用中站稳了脚跟，并且还抓住了有线电视、移动基础设施的部分市场。虽然LDMOS（横向扩散MOS晶体管）目前仍占据基础设施和工业市场的绝大部分份额，但这种情况可能很快就会改变，因为GaN性能与LDMOS基本相当甚至更胜一筹。也许LDMOS现在的唯一优势就是价格了，但这一优势也逐渐不保：Qorvo公司最近宣布将重心转移到6英寸SiC（碳化硅）基GaN上；MACOM公司也宣布将尝试在成本较低的CMOS（Complementary Metal Oxide Silicon 互补型金属氧化物半导体）生产线上生产8英寸Si（硅）基GaN。这些举动都有利于提高GaN的成本竞争优势。

GaN在这些性能上表现得比GaAs和Si更好。例如，在军事器件中，GaN改善了尺寸、重量和功率（SWaP），并且将继续融入这些系统中。

　　
多数GaN供应商将基站和卫星市场视为短期内的主要的增长方向。至于毫米波，5G也是一个巨大的机遇，目前GaN在宽频带、高频器件上表现良好。在射频能源市场GaN也适应得较好，制造厂商关注的航天以及防务市场在快速增长，这包括宽禁带，高功率放大器电子战、相控阵雷达和广泛的毫米波应用。此外，GaN在高功率应用市场上还在挑战GaAs（砷化镓）的地位，并且在大部分面向未来的军事应用中已经取代了GaAs，这些军事应用最重要的性能指标就是功率。