針對射頻及微波應用的GaN新進展

多種預測表明，已然大幅增長的射頻氮化鎵（RF GaN）工業將能夠在未來幾年中繼續保持這種增長勢頭。預測估計，到2023[1、2]年，目前將近4億美元的射頻氮化鎵（RF GaN）市場（2017年止）有望達到或超過10億美元。國防工業在2017年大約消耗三分之一的射頻氮化鎵（RF GaN）設備，其餘三分之二的氮化鎵（GaN）設備可能會用於無線基礎設施和航空電子雷達/通信設備，在這其中的大部分最為可能用於蜂窩應用。涉及氮化鎵（GaN）的設備包括有氮化鎵基低噪聲放大器（LNA）、混頻器、濾波器等射頻組件及設備，然而大多數射頻氮化鎵（RF GaN）市場的關注點顯然集中在氮化鎵（GaN）功率放大器（PA）。

國防工業的當前及下一代雷達和高彈性通信系統中，需要用到高功率密度且堅固耐用的設備。這在諸如敵我識別（IFF）或二次監視雷達（SSR）系統等高性能L波段航空電子雷達中也同樣是關注的重點。在這類應用場景中，即需要帶寬範圍為S波段至Ka波段的高峰值功率輸出。此外，氮化鎵基設備已被證實具有極高的平均故障間隔時間（MTBF），遠遠超出砷化鎵（GaAs）、矽（Si）、橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）和其他功率放大器半導體技術。

作為最大的氮化鎵（GaN）細分市場，4G和正在推進中的5G蜂窩應用可能更為關注氮化鎵基功率放大器在更寬的帶寬上所具備的高效率，例如功率附加效率（PAE）。這表明，儘管已有研究證明氮化鎵基設備（主要是放大器）的頻率剛好超過100 GHz，但是大多數氮化鎵基設備的工作頻率可能在幾百兆赫茲和幾千兆赫茲之間（約600 MHz至3 GHz）。而由於眼下的5G頻譜問題，這一帶寬覆蓋範圍正被加緊拓寬至6 GHz，以應對5G蜂窩應用。

氮化鎵基設備最大的兩個技術領域應是碳化矽基氮化鎵（GaN-on-SiC）和矽基氮化鎵（GaN-on-Si）。相比矽基氮化鎵（GaN-on-Si）設備，碳化矽基氮化鎵（GaN-on-SiC）設備往往具有更高的功率密度，因為碳化矽（SiC）襯底溫度越高機械強度越高，熱膨脹係數（CTE）也比矽（Si）襯底高。但是，碳化矽（SiC）襯底和碳化矽基氮化鎵（GaN-on-SiC）的製造工藝往往比矽基氮化鎵（GaN-on-Si）更為昂貴，有成本限制的應用可以考慮矽基氮化鎵（GaN-on-Si）。

氮化鎵基設備另一個備受關注的特點是其相對較高的電壓操作。更高的工作電壓降低了與電阻相關的損耗，這使得功率放大器的效率更高。此外，對於國防、航空航天和航空電子應用中使用的高抗毀性低噪聲放大器（LNA）設備而言，這也是一個備受矚目的功能。氮化鎵低噪聲放大器（GaN-LNA）可利用氮化鎵基設備進行高電壓操作，以防止幹擾信號或幹擾破壞過載。

就這些設備的運行頻率和功率而言，建模和準確表徵氮化鎵（GaN）電晶體仍然存在挑戰。因此，人們一直在努力開發用於氮化鎵（GaN）設備的更準確的模型，以及專門用於氮化鎵（GaN）功率放大器的具備更寬帶寬和更高功率的負載牽引測試系統。