氮化镓将会“引爆”射频能量市场

一部分少数的半导体技术始终服务于射频和微波领域，从而能够提供最合适的技术，以满足从消费类无线手持设备到军事雷达基础设施等一系列复杂应用的独特需求。

就任何技术而言，都必须从性能、可靠性和成本等诸多方面来考察不同的候选方案。对此，显然不存在足以满足所有射频应用的“通用”解决方案。相反，一些半导体方案正在不断演进以应对特定的技术挑战，并同时满足成本要求。

图 1:氮化镓的高功率密度和高效率，使其成为射频基站发送器的理想射频源

砷化镓和硅LDMOS是现在最成熟的两项技术，被众多商业应用广泛采用。但现在，它们的地位受到了新的挑战者 - 氮化镓的威胁，后者已准备好带来一场革命性的颠覆。现在，已有包括我们公司 - 即位于美国马萨诸塞州洛厄尔的MACOM在内的数家公司，推出了基于这种宽带隙半导体的商用产品。

为完全理解这种宽带隙技术以及其推动工业应用的供应链动力，我们不妨先了解下砷化镓是如何从一项深奥难懂的技术发展为众多市场的中流砥柱，这也与氮化镓技术的发展轨迹相同。另外，在不断发展的射频市场中，LDMOS的作用同样值得关注。

回到上世纪90年代，砷化镓技术刚刚处在形成阶段，与近年来氮化镓技术的地位类似。那时，砷化镓作为一种新兴技术，得到了大量政府资金的支持，瞄准的是乐于为高性能支付高额费用的应用。

随着对无线手持设备的爆炸式需求，情况发生了翻天覆地的变化。砷化镓找到了自己的“杀手级应用”，规模经济很快开始发挥作用。各家化合物半导体公司投资数亿美元建立大规模砷化镓制造厂，驱动行业建立强劲、可靠和可扩展的砷化镓供应链。正因如此，砷化镓芯片产品在短短几年内就从小众产品转变为大批量产品。

现在，砷化镓技术已经面临CMOS和SOI等硅基技术的威胁，后两者都在抢夺手持设备市场份额。一些一流的硅产业供应商已经宣布了取代多数砷化镓产品的计划，即利用规模经济压倒最大型的砷化镓工厂。

图2:氮化镓射频晶体管可以提升等离子街道照明的效率

和砷化镓一样，LDMOS几十年来也在射频市场，特别是无线基础设施领域逐步发展。由于LDMOS供应链的成熟和随之提高的生产效率，其成本已维持在相对较低的水平。

直到近年来，无论是从功率、效率、带宽还是热稳定性等方面进行衡量，砷化镓和LDMOS产品的性能均足以支持其目标应用。但两项技术都存在自己的缺陷。砷化镓受限于低于50W的输出功率，而LDMOS的工作频率则不能超过3GHz。

与这两项现有技术相比，氮化镓显得优势十足，因为它结合了高输出功率和极宽的频率范围。此外，它还具备其他引人注目的特性。然而，尽管具备众多优点，其高昂的价格却让人望而却步。基于氮化镓技术的设备其价格是基于砷化镓或LDMOS的产品价格的十倍以上。

氮化镓技术面临转折点

如今，对于射频和微波领域的业内人士而言，氮化镓的性能优势已经是众所周知。这种宽带隙半导体的原始功率密度比砷化镓和LDMOS高得多，设备也可以适应高频率。利用这些特性，设备设计师就可以实现宽带宽和高效率的结合。

早在数年前，MACOM的团队就已经开始研发氮化镓技术及设备并使其能够应用于商业化领域。借助我们的最新技术 - 第四代硅基氮化镓(Gen 4 GaNk)生产出的产品，其对2.7 GHz 调制信号的峰值效率高于70%，增益高达19dB。这一效率水平远远超过LDMOS 10 个百分点以上。如果加以适当利用，可能会在商业和工业应用的系统层面上产生巨大影响。

过去，氮化镓高昂的价格一直是其症结所在。但考虑到它极高的功率密度和8英尺基底的可扩展性，这一点应该有所改观。MACOM正计划利用第四代氮化镓技术批量生产基于氮化镓技术的设备，不但使其每瓦特成本低于LDMOS产品，同时要显著低于其他价格高昂的硅基氮化镓同类产品。在与合作伙伴的共同努力下，我们已成为6英尺硅晶圆产品领导者，并计划在2017年转向8英尺硅晶圆产品。不断提升的生产能力加上更低的成本结构，将打破在主流商业市场广泛应用氮化镓的障碍。

氮化镓的成本接近于硅基产品，但性能却更上一层楼，这定将推动射频领域的创新并最终带来庞大的市场机会。其中，最主要的领域便是射频能量应用。射频能量应用采用可控的电磁辐射来加热物品或者为各种工序提供动能。现阶段，这种能量一般由磁控管产生，但其注定会被全固态射频半导体链所取代。

转而使用固态射频能量具有几大极具说服力的理由：低电压驱动、半导体式可靠性、较小外形因子以及“全固态电子”的占用空间。而固态射频能量最激动人心的特性，或许要数其快速的频率、相位、功率的功率捷变和超高精度。总的来说，上述优势带来了前所未有的过程控制范围、均衡的能量分配以及对不断变化负载条件的快速适配。

微波和照明

第四代氮化镓技术的到来将使一款常见消费产品发生变革，这款产品就是微波炉。如今，人们已开始使用LDMOS技术生产磁控管原型替代品，但距离最低的性能水平仍有一段差距。而氮化镓设备则将效率提升了10%，成功缩小了这一差距。HEMT不但可以在 2.45GHz 实现70%的效率，而且其成本还可以和自上世纪40年代推出以来历经数十载生产优化的传统磁控管技术相媲美。氮化镓的优势确保了更长的系统寿命，稳定的输出功率和区域可控的加热。

采用价格实惠、性能出众的氮化镓产品后，即将发生变革的另一个领域就是等离子照明。氮化镓产品正逐渐进军整个照明市场，并将在开发照明应用方面取得巨大成功。由于其显色指数非常接近自然光照，使其成为了一款理想的照明光源。

如今，LDMOS技术被广泛用于提供百兆赫兹频率的射频电源励磁。而将射频励磁频率提升至6GHz的研究也正在进行中。这将带来70%以上的效率，这一数字对于LDMOS技术而言极难实现，但对于氮化镓来说却是与生俱来。此外，切换为宽带隙技术，还将带来晶体管尺寸的调整。这有助于等离子照明供应商生产出可以与LED照明在室内灯泡替换市场一较高下的竞争产品。

此外，氮化镓技术还在汽车点火、加热与干燥以及工业、科学和医疗市场上拥有众多潜在机会。在上述领域中，氮化镓技术的优势可使其成为LDMOS强有力的替代者。

在传统汽车领域，基于射频的点火系统已做好取代火花塞技术的准备。将射频能量导入汽车燃烧室能够提供更均匀的点火分配，继而大幅提升燃料效率，减少二氧化碳排放。

在加热和干燥领域，使用射频能量能够均匀地加热和干燥材料。此外，还可以避免传统方式产生的不合需要的温度梯度。对于热传导性不佳的材料来说，温度梯度可能会尤为严重。其他优势还包括加速制造应用的生产流程，改善涉及血液和/或器官加温的医疗程序和流程，以及提高科学应用中的化学加工技术。

庞大市场

射频能量应用的整个适用市场非常庞大。仅考虑微波炉市场，其年销量便已超过7000万台，每台微波炉所需的传输功率范围为0.6~1.5kW。总功率需求则为42GW至105GW。按照目前主流的半导体价格结构，其市场机会为100至250亿美元。

采用射频设备支持上述系统将在性能、功率效率、较小尺寸和可靠性之间达到最优平衡，且其价格须能够推动主流商业应用。作为一家非盈利技术联盟，射频能量联盟正大力支持开发氮化镓在射频能量方面的全部潜力。据预测，推出具有70%的效率和每瓦特价格仅为4美分的300W功率放大器模块后，市场将实现突飞猛进的发展。

我们将利用最新发布的MAGe-102425-300来迎接这一挑战。它是一款封装在高成本效益塑料包装中的300W硅基氮化镓功率晶体管，极为结实耐用，最适合在商业规模的固态射频能量应用中使用。MAGe-102425-300融合了第四代氮化镓技术，性能足以与LDMOS固有的功率效率和密度限制一较高下，零售价格与量产产品大致相当。MAGe-102425-300可以在2.45GHz频率上提供300W的输出功率，引领着行业实现由射频能量联盟提出的下一代功率放大器的核心技术要求。

作为联盟成员，MACOM致力于推进该组织制定将固态射频能量技术及其相关元件和子模块路线图标准化的章程。这项工作将降低相关产品投放市场的复杂度、成本和开发时间。固态射频能量的主流应用在很大程度上取决于联盟成员公司和行业的合作与协调。

图3:MACOM的MAGe-102425-300可提供300W的输出功率，效率高达70%

氮化镓技术及其供应链所取得的进展使我们已身处在生产规模和成本结构上进行突破的转折点。这将推动大众市场应用这项技术。其卓越的性能和极具竞争力的价格将开辟众多新市场，包括微波炉加热器、大规模干燥、全新汽车新点火系统以及园艺照明。毫无疑问，硅基氮化镓射频晶体管的前途将一片光明。