GaN HEMT发展现状与市场前景

GaN HEMT发展现状

1993年M.A.Khan等人制备了第一只氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)，随后GaN HEMT在高频微波大功率方面开展了广泛的研究，经过后续十几年的研究发展，解决了诸多理论和工艺技术问题，产品性能显著提高。

作为新一代的固态微波功率器件，GaN HEMT微波功率器件自问世以来就一直受到欧、美、日本等各国的特别关注并得到重点发展，特别是美国DARPA制定的宽禁带推进计划（2002-2009）针对射频应用启动了宽禁带半导体发展计划（WBGS-RF），其目标是实现具有标志性的工作频率8-12GHz输出功率60W工作效率35%的T/R模块、工作频率大于40GHz输出功率20W工作效率30%的Ka波段功放模块以及工作频率2-20GHz输出功率100W工作效率20%的宽带功放模块3个典型产品。

国外GaN内匹配功率器件在各个频段实现的指标情况

近年来，GaN HEMT微波功率器件的发展速度超出了人们的预期，国际上在GaN 微波功率器件的研制一直很活跃，频段从L,S,C,X 波段一直到Ku波段，最大输出功率达到几百瓦以上。

目前美国的Cree,Nitronex以及日本的Fujitsu,Eudyna,Toshiba等多家公司的GaN HEMT功率器件产品己实现了工程化应用，产品重点针对S波段的基站应用，同时也扩展到Ku波段及以下的其他频段。

目前除Nitronex重点发展基于Si衬底的GaN HEMT技术外，其余各家均采用半绝缘SiC衬底。2009年，东芝推出一款C波段雷达的GaN基高电子迁移率晶体管，输出功率为340 W，增益为10dB，效率为50%。2014年，K. Kikuchi等人研制成功一款基于X波段8.5~10GHz的功率放大器，带内功率达到310 W，效率37%，功率增益10.2dB，工作电压达到65V。2017年，Integra报道了一款50V工作的L波段1200W的产品，效率达到75%。2018年Integra报道了一款工作电压在100V功率密度达到15W/mm的C波段产品，效率达到45%。

GaN微波功率器件国外技术发展趋势

随着GaN技术的日趋成熟，国外开始将GaN功率器件向太空应用扩展，充分发挥宽禁带半导体材料为基础的GaN器件的固有优势，制成重量更轻、功能更强大的太空应用的电子设备。

日本住友电工美国SEDU公司在2014年国际微波会议（IMS）上展示了一款空间应用的新一代GaN微波功率器件，工作电压50V，在1.575GHz下输出功率150W，功率附加效率71.2%，在1.5GHz时增益大于18dB，采用单端封装。2014年12月美国Raytheon公司报道己验证其GaN单片微波集成电路（MMIC）在单粒子烧毁(SEB)和电离总剂量（TID）测试中具有了太空应用的抗辐射性能，抗电离总剂量辐射能力达到1Mrad/Si，可用于太空设备中，采用了GaN技术的卫星将进入地球轨道运行。

2016年5月，拥有世界上最大的SiC和GaN功率和射频器件生产厂的美国Wolfspeed宣布其SiC基GaN射频功率晶体管己完成可靠性测试，试验包括累积辐射剂量超过1 Mrad/Si的抗辐射测试，符合等同美国军用标准S级和K级要求的美国宇航局(NASA)可靠性标准，其GaN射频器件可以在最严酷的航天应用和卫星电子系统中应用。目前己有几家公司指定Wolfspeed的GaN器件应用于其太空产品中。2016年住友公司报道了一款200 W的器件，在L波段实现了74%的漏极效率，完成了各种寿命试验，可以替代行波管，满足宇航应用的需求。综上所述，由于多方面的共同推动，AlGaN/GaN HEMT在最近几年的发展取得了显著的进步，逐步应用到了下一代移动通讯和航空航天当中。

GaN HEMT在微波大功率领域前景广阔

微波功率器件的发展，对现代信息技术的进步产生了重要的影响。第一代硅(Si)半导体技术的发展奠定了现有信息技术的基础，第二代砷化嫁（GaAs）化合物半导体技术，在微波射频(RF)领域发挥了重要作用，手机的功率放大器是其主要的应用领域[fll。第三代氮化嫁(GaN)化合物半导体技术在最近几年得到了长足发展，主要是第四代和第五代移动通讯大功率基站和雷达技术的应用需求。这些半导体技术的应用都和半导体材料的物理特性直接相关，材料特性决定了GaN在微波射频大功率器件应用领域有独特的优势。品质因数就是用来表征半导体高温、高功率以及高频特性的指标。

一代、二代、三代半导体材料特性

GaN HEMT芯片是新一代半导体器件，由于其优异的功率特性和频率特性，受到国内外广泛重视，成为各国高科技研发的重点。美国一直把GaN微波功率器件及微波单片集成电路(MMIC)作为重点支持的领域，自2001年起先后启动了宽禁带半导体技术创新计划和宽禁带半导体技术计划来推动GaN,  SiC材料和器件的制造和改进。国外己开始用GaN功率HEMT器件来研制新一代相控阵雷达和高可靠的航空、航天电子装备。

一代、二代、三代半导体的频率和功率特性

在第四代和第五代移动通信的应用中，硅基LDMOS器件己经不能满足在更高频率的应用。GaN器件的工作频率很容易达到几十GHz，并且具有的高击穿电压、高功率密度、高输出阻抗等特性，其非常适合用作高频、宽带功率放大器。采用SiC衬底又可以大幅提高其散热特性，从而实现射频功放追求的高效率、超宽带、小体积的目标。基于SiC衬底的氮化嫁将会替代硅基的LDMOS技术成为无线基站射频功放的主流技术。目前GaN技术在移动通信基站射频功放的应用，全球业界都还处于起步阶段，国内外的研究也处于同步发展阶段，大功率产品在基站中的长期可靠性问题备受关注。

参考资料：《大功率氮化嫁高电子迁移率晶体管可靠性研究》

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