對(duì)于手機(jī)而言，射頻GaN技術(shù)還有哪些難題需要解決？

氮化鎵技術(shù)非常適合4.5G或5G系統(tǒng)，因?yàn)轭l率越高，氮化鎵的優(yōu)勢(shì)越明顯。但對(duì)于手機(jī)而言，氮化鎵材料還有很多難題需要解決。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施與反導(dǎo)雷達(dá)等領(lǐng)域都要求使用高性能高功率密度的射頻器件，這使得市場(chǎng)對(duì)于射頻氮化鎵（GaN）器件的需求不斷升溫。

舉個(gè)例子，現(xiàn)在的無(wú)線基站里面，已經(jīng)開(kāi)始用氮化鎵器件取代硅基射頻器件，在基站設(shè)備上，氮化鎵器件的使用得越來(lái)越廣泛。氮化鎵受青睞主要是因?yàn)樗菍捊麕В╳ide-bandgap）器件，與硅或者其他三五價(jià)器件相比，氮化鎵速度更快，擊穿電壓也更高。

現(xiàn)在，為了把氮化鎵器件推到更大的市場(chǎng)去，一些射頻氮化鎵廠商開(kāi)始考慮在未來(lái)的手持設(shè)備中使用氮化鎵。對(duì)于現(xiàn)在的手機(jī)而言，氮化鎵的性能過(guò)剩，價(jià)格又太貴。但將來(lái)支持下一代通信標(biāo)準(zhǔn)（即5G）的手機(jī)，使用氮化鎵是有可能的。

氮化鎵技術(shù)非常適合4.5G或5G系統(tǒng)，因?yàn)轭l率越高，氮化鎵的優(yōu)勢(shì)越明顯。但對(duì)于手機(jī)而言，氮化鎵材料還有很多難題需要解決，例如功耗、散熱與成本。

不同工藝比較（數(shù)據(jù)來(lái)源于OKI半導(dǎo)體）

射頻氮化鎵技術(shù)是5G的絕配

雖然氮化鎵用到手機(jī)上還不現(xiàn)實(shí)，但業(yè)界還是要關(guān)注射頻氮化鎵技術(shù)的發(fā)展。“與砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等高頻工藝相比，氮化鎵器件輸出的功率更大；與LDCMOS和碳化硅（SiC）等功率工藝相比，氮化鎵的頻率特性更好。” 分析機(jī)構(gòu)Strategy Analytics的分析師Eric Higham說(shuō)。

“氮化鎵器件的瞬時(shí)帶寬更高，這一點(diǎn)很重要，載波聚合技術(shù)的使用以及準(zhǔn)備使用更高頻率的載波都是為了得到更大的帶寬。”Higham說(shuō)，“這意味著覆蓋系統(tǒng)的全部波段和頻道只需要更少的放大器。”

氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）是射頻應(yīng)用中常用的三五價(jià)半導(dǎo)體材料，LDMOS（橫向擴(kuò)散MOS技術(shù)）是基于硅的射頻技術(shù)，碳化硅（SiC）可用于功率或射頻領(lǐng)域。

可以肯定的是，氮化鎵不會(huì)統(tǒng)治整個(gè)射頻應(yīng)用，設(shè)備廠商會(huì)像以前一樣，根據(jù)應(yīng)用選擇不同的器件和工藝制程技術(shù)，包括三五價(jià)化合物與硅材料。“（射頻領(lǐng)域）還是有砷化鎵與硅器件的市場(chǎng)空間。”GlobalFoundries射頻市場(chǎng)總監(jiān)Peter Rabbeni說(shuō)道。

什么是氮化鎵?

氮化鎵技術(shù)可以追溯到1970年代，美國(guó)無(wú)線電公司（RCA）開(kāi)發(fā)了一種氮化鎵工藝來(lái)制造LED?，F(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的很多LED就是使用藍(lán)寶石襯底的氮化鎵技術(shù)。

除了LED，氮化鎵也被使用到了功率半導(dǎo)體與射頻器件上?；诘壍墓β市酒谑袌?chǎng)站穩(wěn)腳跟。“我們相信，氮化鎵在600V功率器件市場(chǎng)將占有主要優(yōu)勢(shì)。”英飛凌氮化鎵全球應(yīng)用工程經(jīng)理Eric Persson說(shuō)道。

氮化鎵功率器件還是一個(gè)新事物，一時(shí)半會(huì)兒不會(huì)取代現(xiàn)在600V的主流技術(shù)--功率MOSFET。“要最大限度發(fā)揮（GaN功率技術(shù)的）作用，必須采用新型拓?fù)洹?rdquo;Persson說(shuō)道。

但射頻氮化鎵技術(shù)正在成為主流。根據(jù)Strategy Analytics的統(tǒng)計(jì)，2015年射頻氮化鎵市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到3億美元，該機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)2020年射頻氮化鎵市場(chǎng)可達(dá)6.885億美元。

2015年射頻氮化鎵應(yīng)用市場(chǎng)分布圖（數(shù)據(jù)來(lái)源于YOLE）

現(xiàn)在能夠提供射頻氮化鎵器件的廠商主要有科銳、英飛凌、Macom、恩智浦、Qorvo和住友等廠商。（英飛凌在2016年7月已經(jīng)宣布收購(gòu)科銳的Wolfspeed部門，Wolfspeed提供碳化硅功率器件和碳化硅基氮化鎵射頻器件）。還有包括波音、Northrop Grumman和雷神等在內(nèi)的軍工廠商也在開(kāi)發(fā)氮化鎵和其他三五價(jià)技術(shù)。

氮化鎵可用于制造場(chǎng)效應(yīng)管（FET）。平面氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管和硅基的MOSFET類似，通過(guò)柵極控制電流從源極流向漏極。

不過(guò)制造工藝上氮化鎵和CMOS不同。氮化鎵的襯底是在高溫下利用金屬有機(jī)氣相沉積（MOCVD）或者分子束外延（MBE）技術(shù)生長(zhǎng)的。氮化鎵與一般半導(dǎo)體材料的最大區(qū)別是禁帶更寬。禁帶寬度是表征價(jià)電子被束縛強(qiáng)弱程度的一個(gè)物理量，禁帶越寬，對(duì)價(jià)電子的束縛越緊，使價(jià)電子擺脫束縛成為自由電子的能量越大。禁帶寬度也決定了自由移動(dòng)電子的質(zhì)量。

氮化鎵的禁帶寬度是3.4 eV（電子伏特），另一種寬禁帶材料碳化硅是3.3eV，對(duì)比一下，現(xiàn)在的射頻工藝砷化鎵（GaAs）的禁帶寬度是1.4eV，而硅是1.1eV。

用氮化鎵和碳化硅等寬禁帶材料制造的芯片能夠承受更高的電壓，所以與其他技術(shù)相比，輸出能量密度更高，可工作環(huán)境溫度也更高。“此外，氮化鎵器件在技術(shù)上還有很多優(yōu)勢(shì)，例如更高的輸出阻抗。高輸出阻抗可以使氮化鎵器件的阻抗匹配和功率組合更容易，這樣可以覆蓋更寬的頻率范圍，提高射頻功放器件的適用性。”NI AWR事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)總監(jiān)David Vye說(shuō)道。