射频氮化镓GaN器件市场正在升温，因为在基础设施设备、导弹防御和雷达等一系列系统中，人们需要更高的性能和更好的功率密度。

例如，在一个方面，射频GaN开始取代当今无线基站中功率放大器插座的硅基技术。GaN正在进入基站领域，主要是因为它是一种宽带隙技术，这意味着它比硅和其他III-V器件更快，提供更高的击穿电压。

现在，为了利用这些特性开拓更大的市场，一些射频GaN供应商正将该技术用于未来的手持系统。对于今天的智能手机来说，RF GaN太过昂贵，但它是基于下一代无线标准5G的未来手持设备的候选。

RF GaN是5G甚至先进4G系统的理想选择，因为该技术在更高的频率范围内表现出色。但对于未来的手持设备来说，这种材料有一些挑战，比如功耗、热问题和成本。

射频GaN是5G的理想选择。

不过，业界应该密切关注射频GaN的进展。Strategy Analytics分析师Eric Higham表示:“与GaAs和InP等其他高频技术相比，GaN器件可以处理更多的功率，并且具有比LDMOS和SiC等其他功率技术更好的频率性能特征。”

Higham说:“GaN器件还具有更高的瞬时带宽，随着行业向更高频率发展，频段更宽，实现更多的载波聚合频段，这一点变得非常重要。”“这意味着需要更少的放大器来覆盖所有波段和频道。”

GaN，砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是用于射频应用的III-V化合物半导体技术。横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)是一种硅基射频技术。和碳化硅(SiC)用于各种应用。

可以肯定的是，GaN不会主宰整个射频世界。与以前一样，设备原始设备制造商将在其系统中使用一系列器件和工艺技术，包括III-V和硅。“GaAs(和其他III-V技术)有一席之地，硅也有一席之地，”高通射频营销总监Peter Rabbeni说GlobalFoundries．

GaN是什么?
GaN的发展可以追溯到20世纪70年代，当时RCA为led设计了一种GaN工艺。今天，市场上销售的led中有很大一部分是基于GaN和蓝宝石衬底的。

除了led, GaN还被瞄准了另外两个相当大的市场——功率半导体和射频。基于gan的电源芯片刚刚在市场上扎根。事实上，基于gan的功率半器件在特定市场上得到了应用。英飞凌全球GaN应用工程经理Eric Persson表示:“我们相信，这仍将主要是600伏的技术。”

基于gan的功率半器件相对较新，不一定会取代现有的600伏特硅基功率mosfet技术。因此，基于gan的设备制造商可能需要考虑不同的策略，以打入功率半市场。Persson说:“为了充分利用(基于gan的功率半板)，你必须考虑新的拓扑结构。”

与此同时，射频GaN正在获得动力。根据Strategy Analytics的数据，2015年RF GaN业务总额为3亿美元。根据Strategy Analytics的数据，到2020年，RF GaN市场预计将达到6.885亿美元。

如今，Cree、英飞凌、Macom、NXP、Qorvo、住友等公司都在销售RF GaN器件。(今年7月，英飞凌签署了收购Cree Wolfspeed部门的最终协议。Wolfspeed是基于sic的电源和基于gan -on- sic的射频功率器件的供应商。)一些国防承包商，如BAE、诺斯罗普·格鲁曼公司和雷神公司，正在开发GaN和其他III-V技术。

基于镓和氮原子，GaN被用于开发GaN场效应晶体管(FET)。在水平GaN FET中，电流通过栅极从源流到漏极，很像硅基MOSFET中的操作。

但GaN的制造流程与之不同互补金属氧化物半导体．最初，GaN在高温下使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)在衬底上生长。

使GaN与众不同的是它的宽频带隙特性，这是指电子从轨道上挣脱所需的能量。它也是决定自由运动电子质量的参数。

GaN的带隙为3.4电子伏(eV)。另一种宽带隙材料SiC的额定电压为3.3 eV。相比之下，GaAs的带隙为1.4 eV，而硅为1.1 eV。

像GaN和SiC这样的宽带隙芯片可以承受更高的电场，这意味着它们可以处理比竞争技术更高的功率密度和工作温度。AWR集团技术营销总监David Vye表示:“此外，GaN提供了许多技术优势，例如更高的输出阻抗，从而更容易实现阻抗匹配和功率组合，从而在许多射频电源应用中实现更广泛的频率覆盖和更强的适应性。国家仪器(倪)。

GaN的问题是什么?它是昂贵的。大多数射频GaN是在更小和昂贵的SiC衬底上生产的。

GaN具有独特的宽带隙特性，但价格昂贵。

除了成本之外，射频GaN还有其他问题。Vye说:“GaN器件特性需要为设计人员提供可预测的晶体管模型，以便他们可以执行电路模拟，并为当今通信系统中使用的高效率/高线性功率放大器开发必要的阻抗匹配和偏置电路。”此外，设计人员正在将GaN应用于新技术，如包络跟踪、数字预失真和通过谐波负载-拉力测量/模拟的波形工程。这些依赖于极其庞大的数据集。这就需要快速、准确和适应性强的测量系统。”

军事应用
与此同时，射频GaN的第一个大市场是军事/航空航天领域。大约15年前，美国国防部资助了射频GaN的开发，从而推动了该技术的生态系统。

根据Strategy Analytics的数据，今天，军事/航空航天部门占射频GaN市场的40%。在这一领域，射频GaN的最大市场是雷达和电子战系统。

例如，今年3月，雷神公司宣布为爱国者防空和导弹防御系统建造了一种新的基于gan的天线系统。爱国者是一种陆基导弹防御系统，可以拦截弹道导弹、无人机和飞机。

之前的爱国者是基于一种被称为被动电子扫描阵列的雷达技术。新型雷达采用有源电子扫描阵列(AESA)技术。AESA将使爱国者在提供360度雷达能力方面更加接近。

雷声公司综合防空和导弹防御业务发展副总裁Tim Glaeser说:“雷声公司认为，基于gan的AESA雷达是使爱国者领先于新兴威胁的下一个合理升级。”

AESA雷达基本上是基于相控阵技术。相控阵设备由带有独立辐射元件的天线阵列组成。这些天线可以利用波束形成技术，在多个方向上操纵波束。

重要的是，这类技术正从国防领域转移到商业领域。例如，AESA和相控阵背后的概念正被用于今天的60 GHz Wi-Fi技术、汽车雷达系统和无线基站。此外，相控阵技术将在5G中得到广泛应用。

与此同时，在另一个应用中，GaN也在军队点对点手持战术无线电的功率放大器中取得了进展。因此，一些射频GaN供应商认为，该技术有一天可以移植到未来的智能手机。

商业应用程序
射频GaN应用于商用手机还需要一段时间，尽管该技术已经进入基站，而且有充分的理由。

首先，运营商正在努力跟上移动网络数据流量的爆炸式增长。据爱立信称，从2015年到2021年，移动数据流量预计将以每年45%的速度增长。

解决数据流量挑战的一种方法是部署一种称为载波聚合的技术。该技术将不同频率的多个频谱块组合到一个数据包中。每个频谱块被称为一个分量载波。

在当前的LTE蜂窝标准(Release 10)中，五个组件运营商可以组合或聚合，最大带宽为100mhz。

随着时间的推移，移动运营商将推出一种名为LTE Advanced Pro的新标准。考虑到4.5G技术，LTE Advanced Pro将在未授权频谱中包含多达32个组件运营商、大规模MIMO和LTE。大规模MIMO用于基站，是利用多根天线实现容量倍增的技术。

载波聚合和大规模MIMO正在推动对新型、更强大的基站功率放大器芯片的需求。一般来说，现在的基站使用的是基于LDMOS的射频功率放大器。但据Qorvo称，LDMOS在频率超过3.5 GHz时就会碰壁，在超过300 MHz的视频带宽上也会失去动力。

因此，射频GaN正在取代基站中的LDMOS。Qorvo无线基础设施产品集团总经理Sumit Tomar表示:“LDMOS具有设备物理限制。“这就是GaN进入画面的地方。对更高峰值功率、更宽带宽和更高频率的需求正在推动GaN在基站内的采用。”

对此，有两种选择。Qorvo和大多数其他公司正在开发基于GaN-on- sic技术的RF GaN器件。相比之下，Macom正在开发RF GaN-on-silicon。

这里有一些权衡。据Qorvo称，RF GaN-on-SiC比GaN-on-silicon具有更高的功率密度和更好的导热性。

但硅是一种比SiC便宜的衬底材料。例如，Macom计划从6英寸GaN-on-silicon晶圆转向8英寸GaN-on-silicon晶圆，这反过来又将降低RF GaN-on-silicon的成本。

相比之下，大多数GaN-on-SiC是在昂贵的3英寸和4英寸晶圆上生产的。Qorvo计划在年底前将GaN生产过渡到6英寸晶圆。Qorvo设备物理研究员Jose Jimenez表示:“这一转变预计将使Qorvo的GaN-on-SiC制造能力增加一倍。“随着晶圆尺寸的增大，无线基础设施和商用GaN市场将能够以更低的成本利用GaN。”

智能手机中的GaN ?
不过，最大的问题是射频GaN是否会被用于智能手机的功率放大器。这不会发生在今天的4G手机上。但射频GaN可以在未来手持系统的射频前端发挥作用。

今天的手机由一个射频前端模块组成，它包括以下组件-功率放大器，射频开关和其他。

功率放大器，放大输入信号，一般是基于砷化镓。同时，射频开关是一种将信号从功率放大器路由到天线的设备。通常，射频开关是基于射频绝缘体上硅技术或射频SOI。

曾经，在2G和3G蜂窝网络中，手机的射频前端很简单。2G有4个频段，3G有5个频段。然而，今天的射频前端设计是复杂的。首先，射频模块必须支持4G标准，全球有40多个频段。

“标准在不断发展，特别是随着载波聚合的引入。随着这些标准的推出，为了满足这些要求，它在技术方面提出了额外的挑战，”GlobalFoundries的Rabbeni说。“一般来说，当你看整体架构(在手持系统中)时，在天线和RF SoC之间添加了更多的组件。这会影响插入损耗，也就是天线和收发器之间的损耗，以及天线和收发器之间的线性度。因此，我们将继续寻求更好的性能，特别是在低噪声放大器、功率放大器和开关方面。”

例如，当今智能手机的最新RF前端包含一个多模式、多波段功率放大器。智能手机可以包含两个(或更多)功率放大器，以支持不同国家的多个频率。

尽管面临挑战，智能手机oem仍将继续使用传统的功率放大器- gaas技术。“GaAs具有成本效益，并提供所需的性能，”Strategy Analytics的Higham说。

但考虑到当今手机的挑战，为什么不使用射频GaN作为功率放大器呢?gaas代工供应商Wavetek销售和营销高级经理Domingo Huang表示:“GaN的内在优势在于高电压(高达10V)应用，其更高的功率密度特性可能会缩小功率放大器的芯片尺寸。”台湾的波泰克是新业务集团的一部分联合微电子公司(联电)。

“然而，目前的手机设计使用的Vcc电流范围为3到5伏，GaN的性能非常有限，”黄说。GaN的高成本是手机等消费类应用的另一个障碍。如果未来的智能手机前端模块采用更高的Vcc, GaN可能是一个很好的技术候选，尽管首先需要解决高昂的成本问题。”

总之，基于gan的功率放大器是3 GHz及以上高端应用的理想选择。为此，这项技术可以在5G手机中找到归宿。5G是目前被称为4G的无线标准的后续版本，数据传输速率将超过10Gbps，是4G吞吐量的100倍。

到2020年，5G不仅将与4G共存，还将在未授权或毫米波频段运行。这涉及到30 GHz到300 GHz之间的频段。

Qorvo的Tomar说:“如果你看看今天的4G手机，它有砷化镓和SOI。”“在5G中，GaAs和SOI仍将存在。GaN也将被添加，特别是在更高的频率下。”

但射频GaN在最终应用于5G手机之前必须克服一些挑战。根据Qorvo最近的一篇博客，GaN存在一些基本的挑战:

•它需要在更低的电压下运行。
•需要新的包装类型来克服热量和热问题。
成本太高了。

与此同时，GaAs和其他III-V技术也可以在更高的频率下使用，这反过来可能会将GaN降级为面向利基的应用。

因此，展望未来，行业可能需要重新考虑GaN的整体架构。Qorvo的Jimenez说:“GaN并不是当今手机市场最适合的技术。“人们可以预见到架构的变化。GaN使用FET几何结构，PA手机市场使用HBT，其本身更高效和线性。”

RF GaN可能需要向垂直结构移动。它还可能需要新的通道材料和绝缘体来实现更低的电压。

此外，它还必须规模化。事实上，氮化镓正从0.25微米到0.5微米的几何尺寸迁移到0.15微米，有些甚至低至60纳米。

时间会告诉我们，这是否足以让射频GaN应用于未来的手机。但可以肯定的是，射频GaN已经改变了行业格局。

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