GaN的应用和有什么样优势

　　半导体行业在摩尔定律的“魔咒”下已经狂奔了50多年，一路上挟风带雨，好不风光。不过随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限，摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓。未来半导体技术的提升，除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上最后一点“剩余价值”外，寻找硅（Si）以外新一代的半导体材料，也就成了一个重要方向。在这个过程中，氮化镓（GaN）近年来作为一个高频词汇，进入了人们的视野。 GaN和SiC同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等前辈相比，其在特性上优势突出。由于禁带宽度大、导热率高，GaN器件可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；较大禁带宽度和绝缘破坏电场，使得器件导通电阻减少，有利与提升器件整体的能效；电子饱和速度快，以及较高的载流子迁移率，可让器件高速地工作。因此，利用GaN人们可以获得具有更大带宽、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半导体器件，这与半导体行业一贯的“调性”是吻合的。与GaN相比，实际上同为第三代半导体材料的SiC的应用研究起步更早，而之所以GaN近年来更为抢眼，主要的原因有两点。首先，GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力。目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件，以替代昂贵的SiC衬底。有分析预测到2019年GaN MOSFET的成本将与传统的Si器件相当，届时很可能出现一个市场拐点。并且该技术对于供应商来说是一个有吸引力的市场机会，它可以向它们的客户提供目前半导体工艺材料可能无法企及的性能。其次，由于GaN器件是个平面器件，与现有的Si半导体工艺兼容性强，这使其更容易与其他半导体器件集成。比如有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成，进一步降低用户的使用门槛。正是基于GaN的上述特性，越来越多的人看好其发展的后势。特别是在几个关键市场中，GaN都表现出了相当的渗透力。

　　1、GaN在5G方面的应用

　　射频氮化镓技术是5G的绝配，基站功放使用氮化镓。氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）是射频应用中常用的半导体材料。与砷化镓和磷化铟等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS和碳化硅（SiC）等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。氮化镓器件的瞬时带宽更高，这一点很重要，载波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了得到更大的带宽。与硅或者其他器件相比，氮化镓速度更快。GaN可以实现更高的功率密度。对于既定功率水平，GaN具有体积小的优势。有了更小的器件，就可以减小器件电容，从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。射频电路中的一个关键组成是 PA（Power Amplifier，功率放大器）。从目前的应用上看，功率放大器主要由砷化镓功率放大器和互补式金属氧化物半导体功率放大器（CMOS PA）组成，其中又以GaAs PA为主流，但随着5G的到来，砷化镓器件将无法满足在如此高的频率下保持高集成度。于是，GaN成为下一个热点。氮化镓作为一种宽禁带半导体，可承受更高的工作电压，意味着其功率密度及可工作温度更高，因而具有高功率密度、低能耗、适合高频率、支持宽带宽等特点。

　　高通公司总裁Cristiano Amon 在2018 高通4G / 5G 峰会上表示：预计明年上半年和年底圣诞新年档期将会是两波5G 手机上市潮，首批商用5G 手机即将登场。据介绍，5G 技术预计将提供比目前的4G 网络快10 至100 倍的速度，达到每秒千兆的级别，同时能够更为有效地降低延迟。在5G的关键技术Massive MIMO应用中，基站收发信机上使用大数量（如32/64等）的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套，因此射频器件的数量将大为增加，器件的尺寸大小很关键，利用 GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。同时在5G毫米波应用上，GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。