GRGTEST：无线电通信的核心基石 微波射频功率器件

射频微波（RF&Microwave）技术是利用 300MHz～300GHz 频段电磁波实现信息传输、能量转换与传递的核心技术。

随着航空航天、无线通信、雷达、无人驾驶、物联网等技术的迅速发展，倒逼微波射频器件的向着大功率、宽带宽、高效率和更小尺寸的方向不断发展，也对射频微波元器件特别是射频微波功率器件、芯片的可靠性、热电稳定性、干扰和抗干扰性、制造工艺、封装、散热等方面提出了越来越高的要求或期待。

本文将主要以第三代宽禁带射频微波GaN功率管为例，简要阐述有源微波射频器件作为相关设备或系统的细胞级元素的重要性，以及在相关产业和市场中的重要地位。

宽禁带GaN射频微波功率器件的优势及应用

众所周知，无线电调制信号经天线辐射后，在空间传播过程中衰减显著且速率极快，而且随着载波频率越高，其衰减就会愈发加剧。因此，各类通信发射机的射频前端需要功率放大器这一模块或部件去提供足够大的微波射频功率以保证信号以足够的功率能量传输到一定的距离，而射频微波功率管器件正是微波射频功放中不可缺少的关键器件，在信号发射的过程中起着向辐射天线提供足够能量即射频微波功率的关键作用，故必不可少。

随着高数据速率远距离通信和通信系统设备小型化的需求的常态化，第二代以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为主要材料的射频微波功率半导体功率管已经远远满足不了高效率、高承载高功率的技术指标的要求，因此，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料为代表的、具有宽禁带、高击穿电场、高导热率和高电子迁移率的第三代微波射频功率半导体器件应运而生，其实物样貌以及第1代锗化硅（SiGe）/第2代砷化镓（GaAs）/第3代碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）的截止频率VS功率等级的比较分别如图.1和图2.所示。

图1. GaN微波射频功率放大器件/芯片实物样貌

（注：图片源自“射频百花潭”）

图2. 第1/2/3代功率器件截止频率VS功率等级的比较

（注：图片源自“射频百花潭”）

根据其封装不同分为塑封、陶瓷封装以及裸封等不同类型的形式。GaN射频微波功率管以其在高温、高电压、高频率和大功率应用中表现出色，更适用作射频微波功率放大器件，使得它在5G乃至6G通信、雷达系统等要求高功率、高效率的通信系统的应用中展现出了巨大的优势和潜力。

应用示例框图，如图3.中标有Main和Peak处所示；实物示意图如图4.所示。SiC功率器件以其高导热率、高开关速度和高击穿电场的出色表现广泛且比较成熟在电动汽车、充电桩逆变器、新能源发电和变电等方面开始得到越来越广泛的应用，这里就不再一一举例说明。

图3. GaN微波射频功率管在包括5G通信在内PA模块中的应用示例框图

图4. GaN微波射频功率管在包括5G通信在内PA模块中的应用实物示意图

前宽禁带GaN射频微波功率芯片浅析言

通俗地讲，以碳化硅SiC和氮化镓GaN为代表的第三代宽禁带半导体器件的出现是在以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体器件在其功能、性能指标发展到其瓶颈期和天花板状况下应运产生，并经过逐步研制迭代而发展起来的。基于GaN 的微波射频功率器件或芯片旨在突破第二代器件在功率谱密度提升、减小热阻提升单位面积散热效果、降低导通电阻以提升能量转换效率、以此材料的高电子迁移率而拓宽大功率下截止频率fT至微波及毫米波波段乃至亚毫米波波段等问题发展起来的，而且仍在可持续发展和演进中。

微波射频GaN功率器件/芯片具有高功率、高效率、低导通电阻、低热阻、高电子迁移率（高截止频率和宽带宽+）、高击穿电场（即耐高压）等优良特性，因此在5G通信和其它专用通信发射体统中已经逐渐取代LDMOS和其它有关第二代的射频微波功率管，业已投入商用或其它专用场景，就GaN微波功率器件而言，目前还没有SiC那么成熟，从功能/性能设计、工艺、封装等方面还在不断地提升发展中，所以，有必要对GaN微波射频功率放大器件在上述设计方面作以简单介绍，使相关技术、业务人员有个初步了解和总体印象。

与Si和SiC器件的“垂直”架构，即（栅极【G】）和源极【S】在同一表面，而漏极【D】在衬底的下表面上）而不同，GaN微波射频功率放大器件采用“横向架构”，即栅极（G）、源极（S）和漏极（D）都在同一表面，图.5为GaN功率器件的一般结构示意图。

图5. GaN微波射频功率管结构示意图

（注：图片源自“射频百花潭”）

采用这种“横向架构”的水平结构是为了要将在AlGaN/GaN界面上自发形成的具有高电子迁移率的二维电子气（2DEG）用作电流路径。这种结构的晶体管统称为HEMT（High Electron Mobility Transistor），譬如LDMOS以及某些GaAs晶体管也属于此类。GaN的另一个特点是其晶体可以生长在各种衬底上。因此，尽管曾经能够生产的单晶材料直径不大，但可以在相对较为便宜的Si衬底上生长成GaN晶体，对于横向结构，便可以用大直径的Si衬底制造GaN HEMT,从而降低造价，便于大批量商用。

横向GaN HEMT微波射频功率器件的特征在于使用2DEG来实现极高的迁移率，与Si或SiC的垂直结构相比，器件各部分电容（如极间电容、寄生电容）显著减小，栅极电容可比同类器件降低约一个数量级。所以，其响应速度比常规功率器件高几个数量级，这是GaN微波射频功率器件最为重要的特征。当然该种器件科研人员也在研究与Si和SiC类似的高耐压GaN垂直结构器件，而且除了工艺难度之外，持续电流引起的耐压退化之类的问题还未完全得以解决，还需要一定的时日和投入加持，GaN HEMT微波射频功率器件或芯片更优异的功能和性能指标还在持续发展的路上。

第三代微波射频功率芯片GaN的可靠性问题

辩证法告诉我们，任何技术都具有两面性，作为第三代的宽禁带半导体器件的GaN和SiC也不例外。前面我们简述了关于微波射频功率器件或芯片的GaN在功能、性能等方面所表现出来的诸多优势，但它同样存在着或面临一个重要问题，而且这个问题对GaN而言更是一个比较严峻的考验，那就是其可靠性问题。

比如，第三代宽禁带GaN在制造生产过程中由于工艺、材料等原因引起的晶格失配缺陷、源漏欧姆接触问题、热电阻问题，设计时因结构计算原因引起的非最佳外延问题，钝化问题，等等（当然，器件和芯片科研、研制人员也在演进的路上不断地努力改进、规避、甚至消除这些问题）。

图6. GaN微波射频功率器件可靠性问题示例

（注：图片源自“射频百花潭”）

这些源于设计、工艺、封装、生产等各方面的问题都是导致GaN器件内部缺陷、局部失效的潜在隐患，它们将最终导致GaN的可靠性问题，从而表现出GaN在微波射频功能、性能上的退化、失效，甚至其损毁，严重时导致相关模块局部起火烧毁；况且，微波射频GaN器件属于高功率、同等功率密度下相对尺寸、体积较小的高功率发热器件。

所以，无论从该器件设计、生产本身，还是对于其商业应用，可靠性问题是首要考虑和重视的一个大问题。可靠性问题同时直接关联着稳定性和安全性，因此，GaN微波射频功率器件的可靠性问题是其设计开发、生产和应用的首要问题，也是包含集成电路在内的器件生产厂商和用户首当其冲考虑的问题，其重要性不言而喻。

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