之前的砷化鎵(GaAs)和橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)一樣，氮化鎵(GaN)是一項革命性技術(shù)，在實現(xiàn)未來的射頻、微波和毫米波系統(tǒng)方面能夠發(fā)揮巨大作用。不過，它并不是一劑“靈丹妙藥”，其他技術(shù)仍然可以發(fā)揮重要作用。

當(dāng)?shù)?GaN)射頻功率晶體管于2000年代中期在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場上應(yīng)用到反簡易爆炸物裝置干擾器時，這項技術(shù)還處于起步階段。如今，在從國防到衛(wèi)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(qiáng)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(chǎn)生比用于產(chǎn)生射頻功率的任何其他半導(dǎo)體技術(shù)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(yīng)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(chǎn)品并擁有業(yè)內(nèi)最豐富的射頻半導(dǎo)體產(chǎn)品之一的原因，這些產(chǎn)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(jī)與射頻收發(fā)器相結(jié)合的集成模塊(Wi-Fi MCU)。

要了解上述所有技術(shù)最適合的應(yīng)用，有必要說明每種技術(shù)的優(yōu)勢。例如，GaAs仍然是最通用的半導(dǎo)體材料，因為其應(yīng)用范圍廣泛，從功率放大器到混頻器、交換芯片、衰減器、調(diào)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(yīng)用將無法實現(xiàn)。

從20世紀(jì)80年代后期，GaAs開始用于對有源相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行現(xiàn)代化改造，可以說這成就了智能手機(jī)和其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。GaAs器件還用于電纜系統(tǒng)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(yīng)用。不過，盡管可以使用GaAs構(gòu)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(xiàn)更高的射頻輸出功率，而這一輸出功率將在未來幾年內(nèi)繼續(xù)提高。

公平地說，值得注意的一點是，LDMOS技術(shù)也會隨著時間的推移不斷發(fā)展，其優(yōu)勢體現(xiàn)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(fā)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(chǎn)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(dá)、廣播發(fā)射器、醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)、工業(yè)加熱和干燥應(yīng)用中產(chǎn)生射頻功率的關(guān)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(qū)域。

如前面所述，GaN的最大優(yōu)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(chǎn)生極高的射頻功率。這樣便可在一個極為小巧的器件中產(chǎn)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(dá)和許多其他應(yīng)用。GaN的潛能才剛剛被發(fā)掘，未來至少可以實現(xiàn)20 W/mm的功率密度。

當(dāng)然，能否實現(xiàn)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(tǒng))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(fù)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(dǎo)熱率最高的物質(zhì)。

與之前的GaAs和LDMOS一樣，GaN是一項革命性技術(shù)，在實現(xiàn)未來的射頻、微波和毫米波系統(tǒng)方面能夠發(fā)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(guān)鍵技術(shù)。Microchip并未忘記這一事實，因此仍致力于優(yōu)化GaAs的性能，同時還將在未來擴(kuò)展其GaN產(chǎn)品組合。

原文標(biāo)題：專家博文《氮化鎵性能卓越，但它并非惟一選擇》

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