在射频应用领域领先于GaAs的GaN技术

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GaN被认为是一种在射频应用领域领先于GaAs的技术。GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的制造工艺与GaAs射频器件类似，但是性能却具有显著优势。

相比GaAs，GaN具有更高的射频功率密度和更高的可靠性，基于这两个特点，GaN的应用有以下优势：

在相同的输出功率下，GaN芯片和模块的尺寸会更小；

由于低互联损耗而带来的更高的系统效率；

模块装配成本更低；

更高的功率容量和阻抗使得大型器件更易实现阻抗匹配。

GaN相比GaAs所具有的固有优势是器件和材料的基本物理特性所决定的。由于与传统半导体相比，GaN价带和导带之间的能隙更大，所以GaN被称之为宽禁带半导体。更大的能隙(GaN为3.4eV，GaAs为1.42eV)意味着更高的电场强度和更高的击穿场强，转换成的工作电压也更高。

GaN的另一个优势是电子漂移速度。GaN的电子漂移速度随着场强的增大而提高，GaAs则相反。换句话说也就是，在低场强条件下， GaAs的电子漂移速度比GaN大，而在高场强条件下， GaN的电子漂移速度比GaAs大。

电子漂移速率随场强变化曲线的顶点处为饱和速率，GaN的饱和速率为2.46×10^7 cm/s，GaAs的饱和速率为1.8×10^7 cm/s。但是，在高场强时，GaN的饱和速率为2.46×10^7 cm/s，GaAs的饱和速率小于1×10^7 cm/s。

由于电子漂移速度与电流密度相关，所以在高电压下，GaN具有大电流，而GaAs则没有。而功率又是电压和电流的函数，所以大的能隙和高电子漂移速度是高功率器件的理想选择。由于这些原因，GaAs在高功率应用中不如GaN，但它将继续在低电压和低功率应用领域发挥作用。

GaN技术的第三个重要方面是衬底材料，这对功率器件尤为重要。由于GaN衬底不太先进且导热性较差，碳化硅(SiC)就成了GaN射频功率器件最好的衬底材料。SiC的导热性优于其它衬底材料，例如硅和蓝宝石，有助于实现GaN的高功率特性。

SiC的导热性比GaAs好10倍。这些优点使得系统和传感器实现了用GaAs半导体所无法实现的性能，例如，新的系统对性能和使用可用度都有很高的要求。由于GaN固有的高功率密度特点，传感器具有较长时间的的可靠性和较强的驱动能力，即在每个循环周期内工作脉冲时间更长。

就可靠性来说，GaN的沟道温度在同等可靠性条件下比GaAs高，而相同的沟道温度下，GaN的可靠性比GaAs高得多。GaN和GaAs的可靠性对比如图1所示。沟道温度为150℃时，GaN的平均寿命为1×10^9小时，GaAs的平均寿命为1×10^6小时。在1×10^6小时的平均寿命下，GaN可工作在比GaAs高75℃的环境中(GaN为225℃，GaAs为150℃)。

图1 Qorvo GaN和GaAs赝调制掺杂异质结场效应晶体管可靠性比较

总之，GaN射频模块尺寸更小、成本更低、效率更高、功率也更高。例如，GaN单片微波集成电路高功率放大器(HPA)可以替代一对GaAs高功率放大器，而一对GaAs高功率放大器的集成还需要功分器或合路器等额外的器件和装配流程。

不仅单片微波集成电路级的效率由于集成损耗的降低而得到了提高，而且当需要两个或更多GaAs高功率放大器集成时，直接采用数量更少的GaN高功率放大器也能够提高模块级的效率。

在固态相控阵雷达中采用GaN高功率放大器有很多好处。与之前的GaAs和SiBJT技术相比，GaN具有更高的输出功率、发射占空比和更大的脉冲宽度，从而实现更小的口径，并降低系统成本。由于GaN工作效率高，其功耗低，发热少从而减少了冷却舍内的使用，这些都降低了其工作成本。

与GaAs形成对比的例子就是采用固态半导体(例如GaAs)的现有雷达，若采用GaN实现相同尺寸的雷达，它的探测距离会显著增加，而功耗只会略微提高。相反地，相同功耗下，GaN的功率密度会大大减小雷达口径。这首先可以降低前端和后端电子设备的制造成本，其次，由于GaN比之前的技术具有更高的可靠性，其工作时产生的维修和备份成本都会降低。

下一代GaN的发展重点是通过提高工作频率、改善散热以及实现GaN与其他集成电路技术的芯片级集成来提高性能。150nm和90nm工艺节点的开发将分别扩展到60ghz和100ghz。

虽然DBF系统，例如“太空篱笆”，显著升级了性能，但是尺寸、重量和功率、带宽和延迟性能方面会带来的集成电路设计复杂性提高，为了解决这一问题，DARPA的多样可访问异构集成(DAHI)项目等主要致力于开发GaN与高密度硅基CMOS的芯片级集成，以及InP和MEMS等其他技术。

虽然GaN能够产生极高的射频功率密度，但热处理仍然是一个突出的问题，尤其是在更高频率下热密度极大。在DARPA的IceCool项目中，洛克希德马丁公司开发了一种微流体冷却的高功率放大器，与传统的散热解决方案相比，热阻降低了3倍，从而在探索毫米波GaN的终极潜力方面取得了巨大的进展。

这种IceCool解决方案可以使同一设备的输出功率增加8.3dB，同时通过将功率增加后的效率提高2.5到3.5倍之间来降低工作温度。这些进展将进一步挖掘GaN的真正潜力，从而将来使多种系统的性能得到巨大提升。