在射頻應用領域領先於GaAs的GaN技術

來自：雷達通信電子戰

GaN被認為是一種在射頻應用領域領先於GaAs的技術。GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)的製造工藝與GaAs射頻器件類似，但是性能卻具有顯著優勢。

相比GaAs，GaN具有更高的射頻功率密度和更高的可靠性，基於這兩個特點，GaN的應用有以下優勢：

• 在相同的輸出功率下，GaN芯片和模塊的尺寸會更小；
• 由於低互聯損耗而帶來的更高的系統效率；
• 模塊裝配成本更低；
• 更高的功率容量和阻抗使得大型器件更易實現阻抗匹配。

GaN相比GaAs所具有的固有優勢是器件和材料的基本物理特性所決定的。由於與傳統半導體相比，GaN價帶和導帶之間的能隙更大，所以GaN被稱之為寬禁帶半導體。更大的能隙(GaN為3.4eV，GaAs為1.42eV)意味著更高的電場強度和更高的擊穿場強，轉換成的工作電壓也更高。

電子漂移速率隨場強變化曲線的頂點處為飽和速率，GaN的飽和速率為2.46×10^7 cm/s，GaAs的飽和速率為1.8×10^7 cm/s。但是，在高場強時，GaN的飽和速率為2.46×10^7 cm/s，GaAs的飽和速率小於1×10^7 cm/s。

由於電子漂移速度與電流密度相關，所以在高電壓下，GaN具有大電流，而GaAs則沒有。而功率又是電壓和電流的函數，所以大的能隙和高電子漂移速度是高功率器件的理想選擇。由於這些原因，GaAs在高功率應用中不如GaN，但它將繼續在低電壓和低功率應用領域發揮作用。

GaN技術的第三個重要方面是襯底材料，這對功率器件尤為重要。由於GaN襯底不太先進且導熱性較差，碳化硅(SiC)就成了GaN射頻功率器件最好的襯底材料。SiC的導熱性優於其它襯底材料，例如硅和藍寶石，有助於實現GaN的高功率特性。

SiC的導熱性比GaAs好10倍。這些優點使得系統和傳感器實現了用GaAs半導體所無法實現的性能，例如，新的系統對性能和使用可用度都有很高的要求。由於GaN固有的高功率密度特點，傳感器具有較長時間的的可靠性和較強的驅動能力，即在每個循環週期內工作脈衝時間更長。

就可靠性來說，GaN的溝道溫度在同等可靠性條件下比GaAs高，而相同的溝道溫度下，GaN的可靠性比GaAs高得多。GaN和GaAs的可靠性對比如圖1所示。溝道溫度為150℃時，GaN的平均壽命為1×10^9小時，GaAs的平均壽命為1×10^6小時。在1×10^6小時的平均壽命下，GaN可工作在比GaAs高75℃的環境中(GaN為225℃，GaAs為150℃)。

圖1 Qorvo GaN和GaAs贗調製摻雜異質結場效應晶體管可靠性比較

總之，GaN射頻模塊尺寸更小、成本更低、效率更高、功率也更高。例如，GaN單片微波集成電路高功率放大器(HPA)可以替代一對GaAs高功率放大器，而一對GaAs高功率放大器的集成還需要功分器或合路器等額外的器件和裝配流程。

不僅單片微波集成電路級的效率由於集成損耗的降低而得到了提高，而且當需要兩個或更多GaAs高功率放大器集成時，直接採用數量更少的GaN高功率放大器也能夠提高模塊級的效率。

在固態相控陣雷達中採用GaN高功率放大器有很多好處。與之前的GaAs和SiBJT技術相比，GaN具有更高的輸出功率、發射佔空比和更大的脈衝寬度，從而實現更小的口徑，並降低系統成本。由於GaN工作效率高，其功耗低，發熱少從而減少了冷卻舍內的使用，這些都降低了其工作成本。

與GaAs形成對比的例子就是採用固態半導體(例如GaAs)的現有雷達，若採用GaN實現相同尺寸的雷達，它的探測距離會顯著增加，而功耗只會略微提高。

下一代GaN的發展重點是通過提高工作頻率、改善散熱以及實現GaN與其他集成電路技術的芯片級集成來提高性能。150nm和90nm工藝節點的開發將分別擴展到60ghz和100ghz。

雖然DBF系統，例如“太空籬笆”，顯著升級了性能，但是尺寸、重量和功率、帶寬和延遲性能方面會帶來的集成電路設計複雜性提高，為了解決這一問題，DARPA的多樣可訪問異構集成(DAHI)項目等主要致力於開發GaN與高密度硅基CMOS的芯片級集成，以及InP和MEMS等其他技術。

雖然GaN能夠產生極高的射頻功率密度，但熱處理仍然是一個突出的問題，尤其是在更高頻率下熱密度極大。在DARPA的IceCool項目中，洛克希德馬丁公司開發了一種微流體冷卻的高功率放大器，與傳統的散熱解決方案相比，熱阻降低了3倍，從而在探索毫米波GaN的終極潛力方面取得了巨大的進展。

這種IceCool解決方案可以使同一設備的輸出功率增加8.3dB，同時通過將功率增加後的效率提高2.5到3.5倍之間來降低工作溫度。這些進展將進一步挖掘GaN的真正潛力，從而將來使多種系統的性能得到巨大提升。

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