氮化鎵在射頻通信中應(yīng)用

氮化鎵并非革命性的晶體管技術(shù)，這種新興技術(shù)逐漸用于替代橫向擴(kuò)散金屬氧化物硅半導(dǎo)體（Si LDMOS）和砷化鎵（GaAs）晶體管技術(shù)以及某些特定應(yīng)用中的真空管。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，氮化鎵（GaN）的優(yōu)勢(shì)在于更高的漏極效率、更大的帶寬、更高的擊穿電壓和更高的結(jié)溫操作，這些特點(diǎn)經(jīng)常作為推動(dòng)其批量生產(chǎn)的重要因素，但在價(jià)格、可用性和器件成熟度方面還需加以綜合考量。

氮化鎵（GaN）適合的應(yīng)用有：

1. 無線通信應(yīng)用

• LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)，0.7到2.6GHz）

• 3G BTS [基站] (0.8到2.7GHz)

• Wi-MAX (2.3 to 5GHz)

2. 國(guó)防應(yīng)用

• 雷達(dá)

• 電子對(duì)抗

3. 數(shù)據(jù)廣播應(yīng)用

• 有線電視（CATV）（小于1GHz）

• 衛(wèi)星通信（13GHz到14GHz）

• 甚小孔徑終端（VSAT）（12GHz到40GHz）

氮化鎵（GaN）器件市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2007年會(huì)到達(dá)1600萬美元，其中的70%用于研發(fā)項(xiàng)目和技術(shù)評(píng)估。國(guó)防項(xiàng)目占其市場(chǎng)總額的11%，這在很大程度上歸因于美國(guó)國(guó)防部（DOD）或者美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的合同，以及歐洲航天局（ESA）的研發(fā)合同。整體市場(chǎng)有望在2008年翻一番。

樂觀人士預(yù)計(jì)，到2012年，這一市場(chǎng)將增至1.7億美元，主要因?yàn)椋?/p>

• 氮化鎵（GaN）全面進(jìn)入3G基站市場(chǎng)，取代橫向擴(kuò)散金屬氧化物硅半導(dǎo)體（Si LDMOS）。

• 國(guó)防市場(chǎng)保持熱度并繼續(xù)為新的氮化鎵（GaN）研發(fā)項(xiàng)目提供資金

• Wi-MAX產(chǎn)業(yè)廣泛采用氮化鎵（GaN）技術(shù)，隨著2010年LTE網(wǎng)絡(luò)推出，這一情況進(jìn)一步加強(qiáng)。

這種預(yù)測(cè)基于一個(gè)錯(cuò)誤的假設(shè)，即橫向擴(kuò)散金屬氧化物硅半導(dǎo)體（Si LDMOS）和砷化鎵（GaAs）技術(shù)的發(fā)展停滯不前。在民用市場(chǎng)，橫向擴(kuò)散金屬氧化物硅半導(dǎo)體（Si LDMOS）在價(jià)格和性能上可能會(huì)對(duì)氮化鎵（GaN）造成強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，例如LTE和CATV市場(chǎng)，如果Wi-MAX繼續(xù)限定在3.5GHz子頻譜上，那么氮化鎵（GaN）在Wi-MAX市場(chǎng)前景黯淡。對(duì)于甚小孔徑終端（VSAT）應(yīng)用，砷化鎵（GaAs）在價(jià)格和性能上可能會(huì)對(duì)氮化鎵（GaN）造成強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。這些因素相結(jié)合，可能令2012年氮化鎵（GaN）市場(chǎng)的樂觀預(yù)計(jì)下降達(dá)50%。

氮化鎵（GaN）晶體管技術(shù)最有可能的長(zhǎng)期客戶是國(guó)防市場(chǎng)和衛(wèi)星通信市場(chǎng)。這兩個(gè)市場(chǎng)目前正在全球資助研發(fā)項(xiàng)目，并且愿意支付額外經(jīng)費(fèi)，確保氮化鎵（GaN）擁有更成熟的半導(dǎo)體技術(shù)，從而獲得可靠的益處。預(yù)計(jì)國(guó)防市場(chǎng)的價(jià)值將2012年達(dá)到4000萬美元，而衛(wèi)星通信市場(chǎng)的估值在100萬美元。

公布的氮化鎵（GaN）器件性能

在MTT-S國(guó)際微波研討會(huì)(IMS 2008)上，許多公司都宣布經(jīng)過證實(shí)的性能記錄，作為當(dāng)今器件基準(zhǔn)：

這些記錄是：

1. RFMD推出了400W、2.9到3.5GHz的氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT），用于雷達(dá)系統(tǒng)中的批量發(fā)射機(jī)。該公司宣稱其在200C結(jié)溫下的可靠性為1E6小時(shí)，特別適合用于替換行波管的固態(tài)設(shè)計(jì)。

2. 東芝推出了一系列50W X頻帶窄帶器件，其工作頻率在8到12GHz的頻帶范圍內(nèi)。東芝還推出了用于衛(wèi)星通信的50W Ku頻帶器件，采用14.0GHz到14.5GHz 的頻帶。東芝宣稱其2010年產(chǎn)品研發(fā)路線圖包括推出一個(gè)150W C頻帶器件，一個(gè)100W X頻帶器件，一個(gè)100W Ku頻帶器件和一個(gè)10W Ka頻帶器件（18到 42GHz）。

3. 松下宣布針對(duì)未來毫米波通信系統(tǒng)的接收機(jī)開發(fā)氮化鎵（GaN）集成電路（IC）。已經(jīng)開發(fā)出的放大器IC可在26GHz頻率下達(dá)到22dB的增益，在如此之高的頻率上，這個(gè)增益值創(chuàng)造了氮化鎵（GaN）類IC的世界記錄。

4. CREE公司宣稱實(shí)現(xiàn)了最高的漏極效率，即在500MHz到2.5GHz范圍內(nèi)對(duì)于90W的器件漏極效率可達(dá)55%。

來自CREE、Nitronex、RFMD和Eudyna這些關(guān)鍵廠商的現(xiàn)成商業(yè)器件性能可靠，并且針對(duì)低頻（小于6GHz）的國(guó)防應(yīng)用或窄帶無線通信應(yīng)用經(jīng)過優(yōu)化。有了適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合技術(shù)，例如MILMEGA公司使用的技術(shù)，它們展現(xiàn)出將來有能力在X頻帶和Ku頻帶建設(shè)高功率固態(tài)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)，類似于目前在L、S和C頻帶使用的技術(shù)。

供應(yīng)鏈方面的考慮

美國(guó)的氮化鎵(GaN)公司，例如Nitronex和RFMD，在研發(fā)和工藝改進(jìn)方面顯然從巨額的軍費(fèi)預(yù)算投入中獲得了好處。Nitronex現(xiàn)在使用軍費(fèi)資金解決目前的產(chǎn)能問題，并將這些資金特別用于提高產(chǎn)量。有趣的是Nitronex尚未實(shí)現(xiàn)盈利。

MILMEGA認(rèn)為由于國(guó)際軍火交易條例(ITAR)的限制，總是很難了解美國(guó)功率晶體管技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)，但正是美國(guó)開發(fā)出最為合適的器件。

我們感興趣的是，作為氮化鎵(GaN)功率晶體管的使用者，作為歐洲的廠商，UMS利用自身與NXP以及其他廠家的關(guān)系，形成了氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)的獨(dú)立來源，用于電子對(duì)抗應(yīng)用中新一代的電源模塊。

NXP被公認(rèn)為對(duì)于氮化鎵(GaN)市場(chǎng)的整體前景判斷最為清晰的公司之一。它指出對(duì)于世界上僅有的三家射頻氮化鎵(GaN)廠商而言，總會(huì)有足夠的業(yè)務(wù)。NXP預(yù)測(cè)，這些業(yè)務(wù)將均勻分配至亞洲、美國(guó)和歐洲——清晰表明，國(guó)家利益在氮化鎵(GaN)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中扮演著強(qiáng)有力的角色。