無線通信可能始于 1990 世紀后期，但它直到 <> 年代才真正開始了一場連接革命，當時商用 MOSFET 和射頻橫向擴散金屬氧化物 （LDMOS） 電路提供了急需的功率、效率和價格點。

這場革命通過2G，3G以及最近的4G蜂窩鏈路將我們在全球范圍內連接起來，不僅攜帶語音，還攜帶大量信息，已經導致每年在各種類型的設備之間傳輸1.5澤字節（ZB）的IP數據（根據思科的視覺網絡指數）。

隨著各種設備開始聯網，對速度的需求正在推動行業走向5G，承諾更大的帶寬和更少的延遲。許多5G頻段所在的頻段對于基于硅（Si）的傳統半導體器件來說太具有挑戰性了。

用于高頻的氮化鎵

RF LDMOS之于早期蜂窩網絡，氮化鎵（GaN）之于現代和高頻應用。與砷化鎵（GaAs）和Si LDMOS相比，GaN長期以來一直具有難以超越的優勢：

電子遷移率明顯高于LDMOS。增加的電子遷移率可在更高的頻率下提供更多的增益和更高的效率。

擊穿電壓明顯高于砷化鎵和低密度計速。GaN的擊穿臨界電場估計超過4 MV / cm，Si的0.2 MV / cm和GaAs的0.4 MV / cm。GaN 在 28V 至 50V 的電源電壓下具有高可靠性和耐用性。

由于更好的熱傳導，減小了芯片尺寸。

高活化能使GaN器件能夠以更少的冷卻方式運行，并且無需昂貴且復雜的熱提取結構。

高功率密度導致更低的電容和更高的阻抗，更容易匹配。

GaN HEMT特性非常適合預失真等線性化技術。

基板挑戰

向GaN的轉化正在進行中，但存在技術挑戰，包括生長GaN外延膜的困難。這是由于難以制造尺寸和純度的天然GaN基板以競爭用于同質外延。因此，需要另一種底物 - 用于異型外延生長。

基材的選擇至關重要。這種材料不僅必須具有高導熱性，而且還必須與GaN的低晶格失配。

雖然公司已經在硅、碳化硅（SiC）和金剛石襯底上制造了GaN器件，但目前只有SiC最能滿足所有要求。

碳化硅還是硅上的氮化鎵？

SiC緊密匹配的晶格結構意味著GaN外延可以在其上生長，其位錯密度低于其他材料。這減少了泄漏并提高了可靠性。

另一方面，Si既不符合GaN的晶格結構，也不符合熱性能。這會導致更高的缺陷密度以及由于翹曲而導致的可靠性和可制造性問題。為了克服這些問題，公司必須使用復雜的緩沖層和整體更復雜的外延結構。

由于SiC與GaN一樣，具有比Si更好的導熱性，因此它可以有效地耗散高功率密度，以實現實際的漏極效率，從而防止由于自熱而導致的極端溝道溫度。SiC 和 Si 的導熱系數之間的差異是巨大的：430H 半絕緣 （SI） SiC 多型為 4 W/mK，而 Si 的導熱系數為 146 W/mK。這意味著，等效功率的硅基氮化鎵器件的芯片尺寸必須比SiC上的氮化鎵器件大約20%，以便分散熱負荷，即使硅襯底嚴重變薄也是如此。

此外，與SiC上的GaN相比，Si上的GaN容易隨著溫度的升高而性能下降。當Si襯底加熱時，其電阻率顯著降低。低電阻率的襯底等同于較高的RF損耗，從而對RF性能產生負面影響。

Si 襯底還具有比 SiC 襯底更高的寄生電容，這導致 Si 襯底具有更有限的工作帶寬。

GaN對SiC器件對總成本的影響，考慮到更高的效率、更好的高頻操作、更小的芯片尺寸以及空間和重量的節省，使其成為比硅上的GaN更具吸引力的解決方案。

審核編輯：郭婷