浅谈 GaN 前世今生

氮化镓（GaN）半导体技术已经发展了几十年，因其内在特性，被认为是强大的半导体技术。GaN 器件，如射频功率放大器或射频开关，广泛应用于各种高功率或其他应用。随着开发技术、晶片尺寸增加和设计专业知识/工具提升，使用GaN器件的应用不断增长。主要包括有致力于互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的GaN技术，垂直GaN晶体管以及工作在数百千兆赫(GHz)甚至太赫兹(THz)的GaN器件。

GaN 目前应用

当前GaN技术的主要应用是射频/微波应用的功率放大器。GaN能够取得如此进展的主要原因是几个关键器件特性和绝缘体上GaN技术。GaN的这些特性包括高击穿电压（临界电场）、高带隙电压、高饱和速度，以及即使在极端高温（宽工作温度范围）下也能保持可靠的性能。使用的GaN晶体管的主要类型是GaN高电子迁移率晶体管（HEMT），其击穿电压超过磷化铟（InP）异质双极晶体管（HBT）、砷化镓（GaAs）HBT、InP HEMT和硅锗（SiGe）HBT，特别是在高频下。

在绝缘体上GaN技术的两种最常见的变体中，碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）上的GaN在功率应用中超过了Si（硅）上的硅基氮化镓（GaN-Si），因为Si上的GaN往往表现出更高的外延缺陷，而Si的热导率远低于SiC。还有其他小众绝缘体上的GaN技术，如金刚石基GaN和蓝宝石基GaN，但由于成本高和可用性有限，这些类型通常仅用于高功率军事、航空航天和工业应用。GaN HEMT的另一个好处是，GaN在物理上比GaAs或InP更坚固，并且在操作过程中通常可以承受更大的冲击和振动，这使得GaN HEMT更适合坚固的应用，因为在确保器件安全方面需要花费更少的设计和制造精力。

GaN 功率放大器， 散热片，增益 40 dB， P1dB 4 W， 20 MHz – 1 GHz， IP3 44 dBm， PAE 32% ， NF 6 dB ，SMA

因此，GaN HEMT在很大程度上被用作功率放大器，尽管GaN放大器和晶体管的其他用途正变得越来越普遍。例如，GaN HEMT通常用作宽带放大器或各种仪器，甚至用于宽带毫米波（mmWave）5G电信的有源天线系统（AAS）。由于单个宽带GaN放大器可以处理比其他单个宽带放大器解决方案更大的功率和更宽的带宽，因此使用GaN宽带放大器可以在设计中带来信号链优势，在这种设计中，不需要额外的分路器/合路器和相关电路来组合多个放大器，以实现更高的功率或更宽带的操作。

反射式 SP4T GaN 大功率PIN 二极管开关， DC ~ 6 GHz，最大功率 40 W (+46 dBm)，< 100ns，带散热器，SMA

GaN低噪声放大器（LNA）和开关也越来越受欢迎。使GaN-HEMT适用于高功率放大和宽带应用的相同特性使相对较低的附加噪声因子LNA成为可能，这些LNA非常坚固，具有比用于LNA的其他半导体更高的生存能力。这些相同的功能还允许在极宽的带宽上运行更坚固的RF/微波开关。

GaN 未来应用

目前，将GaN晶体管和器件与其他半导体器件和数字电子器件集成到系统中是广泛研究的关键焦点。这些努力的重点是在与GaAs器件和CMOS数字电路相同的封装中，甚至在相同的基板上，实现GaN的高功率和坚固性。目前，GaN和GaAs多芯片模块正在制造中，但未来的努力可能会导致GaN和GaAs器件在同一基板上。其他工作包括开发与CMOS兼容的GaN工艺，因此高密度和高速数字电路可以与GaN器件集成在一起，以实现完整的高功率和宽带片上系统（SoC）。

GaN 双向放大器，4.4 GHz~5.1 GHz ，C 波段，，Psat 10W ，效率 20%，切换时间 2 usec， Tx 增益 10dB，手动T/R控制，SMA

另一个正在探索的领域是开发垂直GaN技术，而不是目前的横向GaN HEMT。垂直GaN器件有可能表现出更高的功率密度，并在更小的封装中实现更高功率的器件。垂直器件允许这一点，因为晶体管元件的垂直堆叠可以产生比横向器件拓扑高得多的击穿电压，并且垂直器件通常可以间隔得更近，以获得更大的晶体管密度。