几十年来，硅一直是许多半导体应用的首选材料。然而，未来硅的地位可能不再稳固。氮化镓(GaN)已成为一种颇具前景的替代方案，尤其是在射频应用领域。
随着对射频技术寿命和可靠性的需求不断增长，传统电子设计开始出现裂痕。像GaN这样的替代材料需要进一步研发才能充分发挥其潜力，但或许能提供解决方案。
GaN技术在射频应用领域的优势
尽管GaN技术在射频应用中的使用仍然相对较少，但一些令人印象深刻的优势已经显现。
功率密度
GaN作为射频器件的最大优势在于其功率密度。它的禁带宽度为3.4电子伏特(eV)，而硅的禁带宽度为1.1eV，这使得它能够处理更大的功率并实现更快的开关，而不会降低性能。
随着5G网络的普及，这种能力将发挥更大的作用。目前，5G更高的频率和更宽的频段范围需要额外的功率才能维持通信而不丢失信号。用硅来实现这一点可能具有挑战性，但GaN提供了更大的发展空间。
在高频射频应用领域，GaN的使用寿命也比硅更长。特别是在军事、航空航天和工业物联网设备中，这种长寿命将使其受益匪浅。
热性能
与传统硅相比，GaN展现出更佳的热性能。镓基半导体比硅基半导体更耐高温，尤其是在大负载条件下。这对于当今的射频技术而言至关重要。
随着物联网应用的不断增长，通信技术必须能够承受更广泛的极端条件，包括强烈的阳光或严苛的工业环境。因此，元器件需要更强的热管理能力来保持计算性能并避免故障。GaN的耐高温性能在这一领域具有显著优势。
更好的散热性能还可以实现更小的设备尺寸，因为对外部冷却系统的需求更少。因此，消费级物联网设备和可穿戴设备等垂直领域将变得越来越实用，从而带来更高的采用率。
效率
GaN技术也提升了硅的效率。这种材料更宽的禁带宽度使电源转换的损耗比传统解决方案更低，这对射频器件来说有两大益处。
首先，通信基础设施可以利用这种效率以更少的电力运行。这为通过太阳能或其他可再生能源为5G塔或远程信息处理设备供电打开了大门，而这些能源可能无法像传统方式那样提供那么多的能源。
其次，GaN的效率可以带来更佳的信号——更容易放大射频范围，而不会引入与噪声或额外电源相关的问题。这对于5G网络尤其重要，因为与之前的移动技术相比，5G网络的传输距离更短，但频率更高。
尺寸优势
GaN的效率和功率密度还有一个重要的附加优势：它们可以减少尺寸和重量要求。当电路能够用更少的材料支持相同的能量和频率时，整个PCB的尺寸就可以缩小。
射频PCB通常需要多层设计，这很快就会导致尺寸和重量问题。使用GaN代替硅来减轻单个器件的重量，可以消除这一障碍。制造商可以创建复杂的PCB，而无需采用可能影响设备实用性的更大尺寸。
紧凑的PCB也有利于热管理，因为最终产品中有更多的空间用于冷却风扇和类似组件。这对于工业物联网终端和5G小型基站等户外通信技术来说是理想的选择。
GaN射频技术发展面临的障碍
尽管GaN技术拥有诸多优势，但它仍不完美。最显著的一点是其成本高昂。一块两英寸的GaN衬底成本高达1900美元，而硅基衬底仅为50美元。将GaN与碳化硅(SiC)相结合通常更具成本效益，但这些解决方案的成本仍比纯SiC方案高出50%。
原材料供应的限制进一步加剧了GaN供应链的复杂性。目前，全球约98%的原生镓产自中国。除了单一来源带来的风险外，近期中国对某些国家实施了镓和锗的出口管制措施，这给这些国家的射频企业获取用于制造GaN半导体的关键材料带来了挑战。
随着技术的进步和GaN生产规模的扩大，相关成本有望逐步降低。解决供应链中的限制问题需要多方共同努力，但这一目标是可以实现的。由于镓是铝生产过程中的副产品，射频公司可以通过与国际铝业公司合作，增强其镓供应链的安全性和稳定性。
在不同国家建立多个关键材料的供应来源至关重要，因为这有助于分散单一国家供应中断带来的风险。通过与国内铝生产企业合作，将镓的生产部分转移回国内，还可以缓解成本和供应方面的担忧。
GaN技术可能是射频创新的未来
GaN技术需要时间和调整才能扩展到在射频应用中广泛应用所需的水平。然而，电信技术企业不能忽视它的潜力。
随着GaN越来越普及，它可以显著改善射频市场。及早抓住这一机遇，对于确保未来的成功至关重要。
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