氮化镓(GaN)是否将在所有应用中取代砷化镓(GaAs)

之前的砷化镓(GaAs)和横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)一样，氮化镓(GaN)是一项革命性技术，在实现未来的射频、微波和毫米波系统方面能够发挥巨大作用。不过，它并不是一剂“灵丹妙药”，其他技术仍然可以发挥重要作用。

当氮化镓(GaN)射频功率晶体管于2000年代中期在伊拉克和阿富汗战场上应用到反简易爆炸物装置干扰器时，这项技术还处于起步阶段。如今，在从国防到卫星通信和5G的各大市场中，GaN分立器件和单片式微波集成威廉希尔官方网站 (MMIC)俨然已成为砷化镓(GaAs)的强大竞争对手。这种情况有着充分的理由：GaN的功率密度极高，可以在给定的裸片面积上产生比用于产生射频功率的任何其他半导体技术更高的射频功率。此外，其工作电压为GaAs器件的五倍，工作电流为GaAs器件的两倍，10 GHz以上时的功率附加效率更高，而且支持在高温下工作。

那么，这是否意味着GaN将在所有应用中取代GaAs?答案是否定的，这就是Microchip制造分立式以及GaN和GaAs MMIC产品并拥有业内最丰富的射频半导体产品之一的原因，这些产品涵盖从低噪声放大器到前端模块、射频二极管、交换芯片、电压可变衰减器、SAW和MEMS振荡器以及将单片机与射频收发器相结合的集成模块(Wi-Fi MCU)。

要了解上述所有技术最适合的应用，有必要说明每种技术的优势。例如，GaAs仍然是最通用的半导体材料，因为其应用范围广泛，从功率放大器到混频器、交换芯片、衰减器、调制器和限流器以及太阳能电池、激光二极管和LED。如果不使用GaAs，某些应用将无法实现。

从20世纪80年代后期，GaAs开始用于对有源相控阵雷达进行现代化改造，可以说这成就了智能手机和其他联网设备。GaAs器件还用于电缆系统分配放大器、微波点对点链路和许多其他最高90 GHz的射频应用。不过，尽管可以使用GaAs构建相对高功率的放大器模块，但采用GaN时，只需更少的模块即可实现更高的射频输出功率，而这一输出功率将在未来几年内继续提高。

公平地说，值得注意的一点是，LDMOS技术也会随着时间的推移不断发展，其优势体现在超高的耐用性上，一些分立LDMOS晶体管能够在大于65:1的阻抗失配下运行而不会发生降级或损坏，而GaN和GaAs目前的阻抗失配则限制在20:1左右。这些分立LDMOS晶体管还可以产生最高近2 kW的射频输出功率，不过频率限制在4 GHz左右，因此，尽管它们在未来几年仍然是L和S频段雷达、广播发射器、医学成像系统、工业加热和干燥应用中产生射频功率的关键器件，但最终都会被GaN取代，因为后者的工作范围可延伸到毫米波区域。

如前面所述，GaN的最大优势之一在于其功率密度极高，因此能够以比硅或GaAs小得多的栅宽产生极高的射频功率。这样便可在一个极为小巧的器件中产生十分惊人的射频功率，因此GaN非常适合新一代有源电子控制阵列(AESA)雷达和许多其他应用。GaN的潜能才刚刚被发掘，未来至少可以实现20 W/mm的功率密度。

当然，能否实现取决于将热量通过基板从裸片向外耗散到散热片和散热器(也可能是外部冷却子系统)的速度和效率。尽管碳化硅(SiC)基板目前已十分常见，但金刚石或铝-金刚石金属基复合材料可能会更加普遍，因为金刚石是地球上所有材料中导热率最高的物质。

与之前的GaAs和LDMOS一样，GaN是一项革命性技术，在实现未来的射频、微波和毫米波系统方面能够发挥巨大作用。不过，GaN不是一剂“灵丹妙药”，GaAs仍将作为未来许多年的关键技术。Microchip并未忘记这一事实，因此仍致力于优化GaAs的性能，同时还将在未来扩展其GaN产品组合。

原文标题：专家博文《氮化镓性能卓越，但它并非惟一选择》

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审核编辑：汤梓红