GaN的晶体结构及射频应用

镓(Ga) 是一种化学元素，原子序数为31。镓在自然界中不存在游离态，而是锌和铝生产过程中的副产品。
GaN 化合物由镓原子和氮原子排列构成，最常见的是纤锌矿晶体结构。纤锌矿晶体结构（如下图所示）呈六方形，通过两个晶格常数（图中标记为a 和c）来表征。

GaN 晶体结构

在半导体领域，GaN 通常是高温下（约为1,100°C）在异质基板（射频应用中为碳化硅[SiC]，电源电子应用中为硅[Si]）上通过金属有机物化学气相淀积(MOCVD) 或分子束外延(MBE) 技术而制成。

GaN-on-SiC 方法结合了GaN 的高功率密度功能与SiC 出色的导热性和低射频损耗。这就是GaN-on-SiC 成为高功率密度射频应用合并选择的原因所在。如今，GaN-on-SiC 基板的直径可达6 英寸。

GaN-on-Si 合并的热学性能则低得多，并且具有较高的射频损耗，但成本也低很多。这就是GaN-on-Si 成为价格敏感型电源电子应用合并选择的原因所在。如今，GaN-on-Si 基板的直径可达12 英寸。

那么，为何GaN在射频应用中优于其他半导体呢？

相比Si 和GaAs 等其他半导体，GaN 是一种相对较新的技术，但它已然成为某些高射频、大功耗应用的技术之选，比如需要长距离或以高端功率水平传输信号的应用（如雷达、基站收发器 [BTS]、卫星通信、电子战[EW] 等）。

GaN-on-SiC在射频应用中脱颖而出，原因如下：

高击穿电场：由于GaN 的带隙较大，GaN 具有较高的击穿电场，这使得GaN 设备的工作电压可远远高于其他半导体设备。当受到足够高的电场作用时,半导体中的电子能够获得足够动能来打破化学键（这一过程被称为碰撞电离或电压击穿）。如果碰撞电离未得到控制，则可能会降低器件性能。由于GaN 器件可以在较高电压下工作，因此可用于较高功率的应用。

高饱和速度：GaN 上的电子具有很高的饱和速度（在极高电场下的电子速度）。当结合大电荷能力时，这意味着GaN 器件能够提供高得多的电流密度。

射频功率输出是电压与电流摆幅的乘积，所以，电压越高，电流密度越大，则实际尺寸的晶体管中产生的射频功率就越大。简言之，GaN 器件产生的功率密度要高得多。

出色的热属性：GaN-on-SiC 器件表现出不同一般的热属性，这主要因为SiC 的高导热性。具体而言，这意味着在消耗功率相同的情况下，GaN-on-SiC 器件的温度不会变得像GaAs 器件或Si 器件那样高。器件温度越低才越可靠。