氮化鎵在射頻通信中應用

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散金屬氧化物硅半導體（Si LDMOS）和砷化鎵（GaAs）晶體管技術(shù)以及某些特定應用中的真空管。

與現有技術(shù)相比，氮化鎵（GaN）的優(yōu)勢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）適合的應用有：

1. 無(wú)線(xiàn)通信應用

• LTE（長(cháng)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. 國防應用

• 雷達

• 電子對抗

3. 數據廣播應用

• 有線(xiàn)電視（CATV）（小于1GHz）

• 衛星通信（13GHz到14GHz）

• 甚小孔徑終端（VSAT）（12GHz到40GHz）

氮化鎵（GaN）器件市場(chǎng)預計在2007年會(huì )到達1600萬(wàn)美元，其中的70%用于研發(fā)項目和技術(shù)評估。國防項目占其市場(chǎng)總額的11%，這在很大程度上歸因于美國國防部（DOD）或者美國國防部高級研究計劃局（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(lè )觀(guān)人士預計，到2012年，這一市場(chǎng)將增至1.7億美元，主要因為：

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

• 國防市場(chǎng)保持熱度并繼續為新的氮化鎵（GaN）研發(fā)項目提供資金

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

這種預測基于一個(gè)錯誤的假設，即橫向擴散金屬氧化物硅半導體（Si LDMOS）和砷化鎵（GaAs）技術(shù)的發(fā)展停滯不前。在民用市場(chǎng)，橫向擴散金屬氧化物硅半導體（Si LDMOS）在價(jià)格和性能上可能會(huì )對氮化鎵（GaN）造成強有力的挑戰，例如LTE和CATV市場(chǎng)，如果Wi-MAX繼續限定在3.5GHz子頻譜上，那么氮化鎵（GaN）在Wi-MAX市場(chǎng)前景黯淡。對于甚小孔徑終端（VSAT）應用，砷化鎵（GaAs）在價(jià)格和性能上可能會(huì )對氮化鎵（GaN）造成強有力的挑戰。這些因素相結合，可能令2012年氮化鎵（GaN）市場(chǎng)的樂(lè )觀(guān)預計下降達50%。

氮化鎵（GaN）晶體管技術(shù)最有可能的長(cháng)期客戶(hù)是國防市場(chǎng)和衛星通信市場(chǎng)。這兩個(gè)市場(chǎng)目前正在全球資助研發(fā)項目，并且愿意支付額外經(jīng)費，確保氮化鎵（GaN）擁有更成熟的半導體技術(shù)，從而獲得可靠的益處。預計國防市場(chǎng)的價(jià)值將2012年達到4000萬(wàn)美元，而衛星通信市場(chǎng)的估值在100萬(wàn)美元。

公布的氮化鎵（GaN）器件性能

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

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），用于雷達系統中的批量發(fā)射機。該公司宣稱(chēng)其在200C結溫下的可靠性為1E6小時(shí)，特別適合用于替換行波管的固態(tài)設計。

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。東芝還推出了用于衛星通信的50W Ku頻帶器件，采用14.0GHz到14.5GHz 的頻帶。東芝宣稱(chēng)其2010年產(chǎn)品研發(fā)路線(xiàn)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. 松下宣布針對未來(lái)毫米波通信系統的接收機開(kāi)發(fā)氮化鎵（GaN）集成電路（IC）。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的放大器IC可在26GHz頻率下達到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(lèi)IC的世界記錄。

4. CREE公司宣稱(chēng)實(shí)現了最高的漏極效率，即在500MHz到2.5GHz范圍內對于90W的器件漏極效率可達55%。

來(lái)自CREE、Nitronex、RFMD和Eudyna這些關(guān)鍵廠(chǎng)商的現成商業(yè)器件性能可靠，并且針對低頻（小于6GHz）的國防應用或窄帶無(wú)線(xiàn)通信應用經(jīng)過(guò)優(yōu)化。有了適當的結合技術(shù)，例如MILMEGA公司使用的技術(shù)，它們展現出將來(lái)有能力在X頻帶和Ku頻帶建設高功率固態(tài)發(fā)射機結構，類(lèi)似于目前在L、S和C頻帶使用的技術(shù)。

供應鏈方面的考慮

美國的氮化鎵(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預算投入中獲得了好處。Nitronex現在使用軍費資金解決目前的產(chǎn)能問(wèn)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)現盈利。

MILMEGA認為由于國際軍火交易條例(ITAR)的限制，總是很難了解美國功率晶體管技術(shù)的當前狀態(tài)，但正是美國開(kāi)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(chǎng)商，UMS利用自身與NXP以及其他廠(chǎng)家的關(guān)系，形成了氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)的獨立來(lái)源，用于電子對抗應用中新一代的電源模塊。

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