氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙材料，在高功率射頻 (RF) 應用中具有顯著優勢。與傳統半導體（如硅）相比，氮化鎵具有一些非常重要的物理和電學特性，包括：

• 擊穿電壓高；
  
• 高功率密度；
  
• 高工作頻率和開關頻率；
  
• 高效率;
  
• 優良的導熱性。
  

與傳統技術相比，氮化鎵已被證明是射頻領域多種應用的優良材料，其中可靠性、效率和減少吸收是必不可少的要求。在制造過程中，氮化鎵通常在高于 1000 °C 的溫度下生長在由碳化硅 (SiC) 組成的襯底上（在射頻應用中，或者在功率應用中由普通硅組成）。迄今為止，基于 GaN-on-SiC 的技術使用最多，因為它結合了氮化鎵的高功率密度和碳化硅的低功率損耗，還因為它解決了與熱管理和寄生損耗相關的問題。GaN-on-Si 技術雖然成本較低，但其熱性能較差，射頻信號功率損耗較高。

氮化鎵的射頻應用

盡管氮化鎵通常與經典射頻應用相關，例如功率放大器 (PA)，但這種創新材料還有許多其他重要應用。這些設備實現的不斷提高的功率和效率水平使它們具有吸引力，特別是在空間和軍事領域的應用中（尤其是軍用級雷達）。堅固性、出色的熱性能、更小的重量和尺寸，使這種材料成為其他類型競爭技術的更好選擇，即使在低頻 RF 應用中也是如此。在軍用雷達中，當工作在不同千兆赫茲的頻段時，氮化鎵已被證明是制造固態發射器的理想解決方案，取代了基于速調管的傳統技術。最新一代軍用雷達，與電子掃描陣列 (AESA) 和相控陣模塊一起運行，將極大地受益于基于 GaN-on-SiC 的單片微波集成電路 (MMIC) 的可用性。然而，GaN 技術的應用不僅限于航天領域和軍用雷達。在電信領域，尤其是移動電話領域，這種材料用于創建各種創新解決方案，例如支持 5G 技術的解決方案。在射頻放大器和相控天線陣列等特定應用中，氮化鎵基元件正逐步取代傳統的硅基元件。事實證明，GaN 的卓越特性非常適合有效管理 6 GHz 以下頻段和 20 GHz 以上頻段（毫米波或 mmWave）。

氮化鎵射頻器件

Wolfspeed擁有廣泛的基于 GaN 的功率器件產品組合，例如CMPA2735075F，一款 75W、2.7 – 3.5GHz、GaN MMIC 功率放大器。如圖 1 所示，該器件是基于氮化鎵 (GaN) HEMT 的單片微波集成電路 (MMIC)。由于氮化鎵與硅或砷化鎵相比具有更高的擊穿電壓、更高的飽和電子漂移速度和更高的熱導率等優越性能，因此該器件特別適用于 S 波段 (2.0 – 4.0 GHz) 民用和軍用脈沖雷達放大器. 與 Si 和 GaAs 晶體管相比，GaN HEMT 還提供更高的功率密度和更寬的帶寬。該 MMIC 包含兩級無功匹配放大器設計方法，可實現非常寬的帶寬。這種 MMIC 能夠在小尺寸、壓緊式封裝中實現極寬的帶寬。

圖 1：Wolfspeed CMPA2735075F，適用于 S 波段雷達應用

MACOM是電信、數據中心、工業和國防應用半導體設備的領先設計商和制造商，擁有廣泛的射頻功率產品選擇。一個例子是MAGx-011086，一種基于碳化硅的 GaN 通用 HEMT 放大器，針對 DC – 6 GHz 操作進行了優化，采用用戶友好的封裝，非常適合高帶寬應用。該器件專為飽和和線性操作而設計，采用行業標準、低電感、表面貼裝 QFN 封裝，輸出功率為 4 W (36 dBm)。封裝的焊盤形成共面發射，自然吸收鉛寄生，并具有適用于空間受限應用的小 PCB 輪廓。MAGx 晶體管采用最先進的晶圓制造工藝，可在寬帶寬范圍內提供高增益、高效率、高帶寬和耐用性，以滿足當今苛刻的應用需求，例如脈沖航空電子設備和雷達應用。

Qorvo是一家專門從事射頻系統的半導體公司，在提供跨多個頻率和功率級別的功率放大器 (PA) 解決方案方面有著良好的記錄。在TGA2312-FL，如圖2所示，是一個高功率放大器操作并且10之間9 GHz和典型地提供48 dBm的飽和輸出功率的38％的功率附加效率，并13分貝小信號增益。TGA2312-FL 非常適合航海和氣象雷達，采用 CuW 基法蘭封裝，可實現卓越的熱管理。TGA2312-FL 采用 Qorvo 的 0.25um GaN on SiC 技術，可提供卓越的性能，同時保持高可靠性。此外，碳化硅襯底的使用提供了可靠的高功率運行所需的最佳熱性能。

圖 2：Qorvo TGA2312-FL，一種適用于雷達和民用商業系統的 PA

文章來源：eeweb Stefano Lovati

編輯：ymf