关于 GaN 技术，您需要了解的信息
2023 年 2 月 15 日
元素周期表上的几种元素便能为工程设计带来天翻地覆的变化。此话不假，我们深以为然。实际上，自 20 世纪 90 年代起，人们逐渐认识到氮化镓 (GaN) 的潜力，此后，射频工程发展日新月异，每天都在不断变化。
GaN 因其高电流、高电压特性而引人注目，这些也赋予其超高的灵活度，可用于众多高要求的应用，如下方表 1-1 所示。独特的材料属性使其成为许多应用的全新优选技术，如 5G 通信、汽车、照明、雷达和卫星等应用。而由于 GaN 的强大性能，开发人员并不止步于此。他们将继续突破极限，追求进一步革新，以适应未来更高要求的全新应用。
表 1-1：GaN 制造工艺的高电流、高电压特性可为众多高要求应用提供支持。
GaN 可为设计人员提供全面的竞争优势，满足其开发系统时的高功率、宽带宽、高工作电压和高散热性能等要求。当前，有许多工程师预测，GaN 将在众多应用领域最终取代横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 等技术。与之相关的种种迹象也十分具有说服力。GaN 能够为现有应用和新兴应用提供支持。事实证明，该技术易于使用，可提供即插即用的替换效果，与原有技术相比，替换后的强大性能只增不减。
对于 5G 等新兴应用，GaN 已经能够满足取代现有技术的所有先决条件。5G 领域的 GaN 支持更快的数据传输速度、更大的射频范围、更高的温度稳定性、较高输入功率水平稳定性、更小巧的尺寸以及更高效的功耗。GaN 射频系统得益于其独特的材料属性：宽带隙、高电荷密度、高电子迁移率和高温耐受性。所有这些属性可转化为高功率附加效率 (PAE)、高功率输出、小巧外形、宽带宽和耐用性等射频优势。GaN 能降低系统的工作电流和成本费用。能够减少系统设计人员在设计系统时需要的组件数量，从而节省设计时间、加快产品上市。除了高热导率外，GaN 还因其低辐射灵敏度而备受瞩目。从表 1-1 中我们可以看出，GaN 的制造工艺主要使用碳化硅或硅基板（分别为 GaN on SiC 和 GaN on Si）。每种基板都有其自己的优势。与碳化硅相比，硅基板的成本相对更低。但是，从许多方面来看，与 GaN on Si 相比，GaN on SiC 的可靠性和功率性能更高，因此更具优势。这使得 GaN on SiC 成为 5G 电信、国防、航天等许多应用领域的上佳之选。
了解 GaN 基本知识
Qorvo 的 GaN Technology For Dummies 专版（第 2 版） 提供了切实可行的 GaN 技术基础简介，并介绍了其应用增长背后的驱动力，也就是该技术的广泛优势。在许多领域，其他材料早已成为标准，而 GaN 的出现打破了这个局面。例如，LDMOS 等硅技术。GaN 能够补充 GaAs 的不足，从而推动 GaN 在商业与国防应用领域的使用。GaN 还有助于提高系统性能，以满足下一代通信系统对更高功率、频率和效率的要求。
综上所述，本书将帮助您：
- 了解 GaN 的独特材料属性
- 了解 GaN 在重要雷达应用中的使用
- 了解 GaN 在商业、零售和航空应用中的使用
- 了解适合您自身应用的 GaN 工艺技术
- 了解 GaN 在当今市场和未来市场的发展情况
GaN：过去和现在
20 世纪 90 年代初，人们首次认识到 GaN 作为一种大功率和高频半导体晶体管材料的潜力，并开始不断探索。到 2000 年代中后期，GaN 就已经用于国防和航天领域的生产应用，以及固态照明发光二极管 (LED) 的商业应用。自那时起，GaN 逐渐被射频 (RF) 电子领域接受，并广泛部署于 5G 等商业无线应用。GaN 材料的改进可实现高功率密度、高效率射频放大器，并推动了射频技术的应用发展。
许多半导体市场分析师仍将 GaN 描述为一项相对较新的技术。然而，在短短的几年时间里，GaN 已经从行业新秀一跃成为众多应用领域的领头羊。GaN 不仅取代了根深蒂固的硅技术，如 LDMOS，而且在与 GaAs 等其他技术组合使用时，还有助于提高整体系统性能。
GaN 能够补充 GaAs 等现有技术的不足，从而有助于加快其在国防与商业应用领域的普及。GaN 还有助于提高系统性能，以满足下一代系统对更高功率、频率和效率的要求。因此，该技术开始成为带宽更宽、频率更高的全新射频应用的优选技术。
GaN Technology For Dummies
那么，如何在未来先拔头筹呢？
多年前，GaN 首次应用于军事和航空航天应用领域。自那以后，GaN 广泛用于多种商业应用，如无线基础设施、有线电视，以及航空、科学研究等领域，如下方图 1 所示。
图 1：GaN 射频技术和市场
在未来几年，GaN 技术将继续发展，并将在更复杂的新应用中广受好评。现阶段在军事雷达、电子战和通信系统中的使用需求可能是其增长驱动力的关键。不过，得益于 GaN 的材料属性，许多其他创新应用也即将出现。比如以下应用：
数据中心
由于云计算的大规模发展，数据中心也在不断扩展。这些数据中心会消耗大量的能源，因此降低能耗是当务之急。
汽车
电动汽车 (EV) 也在使用 GaN DC 功率晶体管。将功率密度更高的电池、效率更高的电机和车载充电器相结合有助于减少车辆重量，从而延长行驶里程。
无线充电
无线充电不仅仅只适用于智能手机，在我们家里也变得更加常见。您还会发现，无线充电也开始集成到汽车和医疗设备中。所有这些应用均须使用 GaN 晶体管。
电源适配器
直流电源设计不断进步，但现有的硅开关技术即将达到其物理极限。GaN DC 功率晶体管的启动速度比硅更快，能够减少损耗，同时提高开关速度。现在，制造商希望 GaN 能够帮助缩小尺寸、提升效率并提高功率。
医学
GaN 开始应用于 X 光机和磁共振成像 (MRI) 机。在 MRI 应用中，使用 GaN 有助于缩小尺寸。此外，相比于未使用 GaN 的 MRI 机器，使用 GaN 后的图像分辨率提高了 10 至 100 倍。这意味着能让医疗专业人员能够以更低成本、更早且更准确地发现癌症和其他疾病。高能射频也应用于治疗恶性肿瘤的射频消融 (RFA) 设备中。
无线手持设备
由于 GaN 能在恶劣的环境中提供高功率、高频率、宽带宽和高度可靠性，所以多年来一直在军用电子战 (EW) 手持无线电中有所应用。如今，商业电信运营商也对其手持设备提出了类似的需求。
科学应用
在 5G 测试和测量方面，科研人员需要更强大的功能。举例来说，支持粒子加速器和化学汽相淀积 (CVD) 系统的设备也开始使用 GaN。CVD 可生产高质量固体薄膜和涂层，比使用物理气相沉积技术的蒸发和溅射方法更具优势。在电磁兼容性 (EMC) 测试设备中部署的 GaN 可提供高功率和宽带宽，以满足 5G 产品认证需求。
航空应用
尺寸和重量在航空应用领域十分重要。所以，GaN 因其低功耗、小尺寸、高可靠性和耐辐射性等优势而备受追捧。其他技术需要采取特殊辐射屏蔽措施，但 GaN 对辐射具有“天然免疫力”。
关键要点
本书还包含主题概要，可供您快速参考，并选择其中一个主题，深入研究相应章节内容。例如：
- 氮化镓 (GaN) 是一种高性能化合物半导体。化合物半导体提供速度和功率的出色组合解决方案。
- GaN 可带来独特优势。GaN 独特的材料属性可提供高功率附加效率 (PAE)、高功率输出、小巧外形、宽带宽、热优势和耐用性。
- 许多商业、国防和航空系统都在使用 GaN。GaN 独特的优势支持新的和现有的应用，包括雷达、卫星通信、商业无线网络和有线电视。
- GaN 对 5G 至关重要。若要满足 5G 要求，就需要实现 Gb 级速度和超低延迟。因此，设备制造商在大规模多路输入/多路输出 (MIMO) 系统中部署了高功率 GaN。
- GaN 极其可靠，即使在恶劣的环境下亦是如此。
- GaN 可用于大批量生产应用。美国国防部将 GaN 归类为最高级别制造成熟度 (MRL)，即 MRL 10。这意味着全速生产和精益生产实践已经就绪。
- GaN 正在开拓新市场。凭借其独特的性能，GaN 技术扩展到许多新的领域，包括汽车、医疗系统和先进的科学应用。
GaN 的未来
未来 GaN 技术和封装方面的创新将支持更高的频率、更高的电压，甚至更宽的带宽，从而进一步推动 GaN 的普及。期待 Qorvo 提供更多创新技术和专业知识。
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