印度开发出首个完全自主研发的硅基氮化镓（GaN）微波功率晶体管
据 thehindubusinessline 网 5 月 4 日报道，印度科学研究院（IISc）纳米科学与工程中心（CeNSE）的研究人员成功开发出印度首个完全自主研发的硅基氮化镓（GaN）微波功率晶体管。
CeNSE 团队通过在 IISc 内部完成材料生长、设计、制造和测试，克服了技术挑战。他们实现了 10 GHz 频率下 8W 的输出功率，并通过调整材料的 “极化” 特性，消除了对碳或铁杂质的需求，这些杂质通常用于实现高压操作。整个制造工艺均为本土开发。
这一成果标志着印度在先进半导体技术自力更生方面取得了重要进展，是印度首次在不添加碳或铁的情况下成功演示硅基氮化镓微波晶体管。
No.1 什么是氮化镓功率晶体管？
氮化镓是一种无机物，化学式GaN，是氮和镓的化合物，是一种直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙较宽，为3.4eV，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）的条件下，产生紫光（405nm）激光。其次，氮化镓具有优良的电子迁移率和电子饱和漂移速度，这使得它在射频和微波电子器件中具有出色的性能，例如5G通信系统中的射频功率放大器。
日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二，其在GaN和固态照明和数据存储方面所做工作的巨大影响力而获得了2014年诺贝尔物理学奖。
氮化镓（GaN）是一种二元 III/V 族直接带隙半导体，非常适合制造能够在高温下工作的高功率晶体管。自 20 世纪 90 年代以来，它已普遍用于发光二极管（LED）。氮化镓发出的蓝光可用于蓝光光盘的读取。此外，氮化镓还应用于半导体功率器件、射频组件、激光器和光子学领域。未来，我们还将在传感器技术中看到氮化镓的身影。
No.2 氮化镓功率晶体管的优势
2.1 高效能转换
氮化镓功率晶体管的导通电阻（RDS（on））较低。以宜普公司的产品为例，其第一代氮化镓晶体管专为 5V 驱动器操作而设，在相同电压条件下，与硅 MOSFET 相比，漏极对源极的电阻更低。如宜普 1001（100V，5.6mΩ）在栅极电压越接近最高水平时，漏极对源极的电阻持续下降。这使得在电流通过时，热损耗显著降低，从而提高了能源利用效率。例如在开关电源中，较低的导通电阻可减少能量在晶体管导通状态下的浪费，实现更高的转换效率。氮化镓晶体管的横向结构使其具有极低电荷特性，能够在数纳秒内切换数百伏特，切换频率可达数兆赫。栅漏极间电容（CGD）极低，致使电压切换非常迅速。快速的开关速度可以在更短的时间内完成电路的导通和关断操作，减少了开关过程中的能量损失。在 D 类功率放大器中，快速开关速度可使放大器更精确地模拟音频信号，提高信号的保真度；在功率转换器中，能实现更高的工作频率，从而缩小功率转换器的体积。由于氮化镓材料能够承受高电压和大电流，且在高功率运行时仍能保持较低的损耗，使得氮化镓功率晶体管可以在较小的尺寸内实现较高的功率输出，即具有高功率密度。相比传统的硅基功率器件，在相同功率需求下，氮化镓功率晶体管的体积可以更小。这一特性在对空间和重量要求苛刻的应用场景中，如电动汽车的车载逆变器、卫星通信设备等，具有极大的优势，既能减轻设备重量，又能提高设备的功率处理能力。2.2 高温稳定性
氮化镓功率晶体管能够在高温环境下稳定工作，其热稳定性优于许多传统半导体材料。例如，在一些工业应用中，设备可能会在高温环境下长时间运行，氮化镓晶体管能够在这样的环境中保持良好的性能，不会因为温度升高而出现明显的性能下降或故障。其工作温度可高达 200°C 以上，这使得它在一些高温环境的应用场景中具有独特优势，如汽车发动机舱内的电子设备、高温工业炉附近的控制电路等，无需复杂的散热措施就能可靠运行。
2.3 高频性能优异
通过 AlGaN/GaN 异质结界面形成的二维电子气（2DEG），氮化镓功率晶体管实现了极高的电子迁移率。在高频通信领域，如 5G 基站的信号处理中，高电子迁移率使得晶体管能够快速响应高频信号的变化，实现更高频率的信号处理和传输。相比硅基器件，氮化镓晶体管在高频下能够提供更高的增益和更低的噪声系数，从而提高了整个通信系统的性能，保证了数据传输的高速率和稳定性。其宽禁带特性以及高电子迁移率等综合性能，使得氮化镓功率晶体管非常适合高频应用场景。在雷达系统中，能够满足雷达对高频段、大功率和高效率的要求，提高雷达的探测距离和精度；在卫星通信中，可在高频段实现稳定的信号传输，支持高速数据通信。No.3 氮化镓功率晶体管的应用领域
3.1 无线通信领域
随着 5G 通信技术的普及，基站需要具备高频段、大功率和高效率的特性。氮化镓晶体管能够提供更高的数据传输速率、更远的传输距离和更强的信号处理能力，是 5G 基站建设中的关键元件。在毫米波频段，氮化镓晶体管能够实现更高的增益和更低的噪声系数，从而提高系统的整体性能，满足 5G 基站对高速率、大容量数据传输的需求。在卫星通信系统中，氮化镓晶体管的高功率密度和高温稳定性使其能够在极端环境下稳定工作。卫星在太空中面临着高低温交变、辐射等恶劣环境，氮化镓晶体管能够适应这些环境，保证卫星通信的可靠性和稳定性，实现卫星与地面站之间高质量的信号传输。雷达系统对高频段、大功率和高效率的要求与氮化镓晶体管的特性高度契合。氮化镓晶体管在雷达系统中的应用，不仅提高了雷达的探测距离和精度，还降低了系统的体积和重量，增强了系统的机动性和灵活性。例如在军事雷达和民用航空雷达中，氮化镓晶体管的应用能够提升雷达对目标的探测性能。3.2 电源管理领域
随着电子设备的普及和功率需求的增加，对开关电源的效率、功率密度和体积提出了更高的要求。氮化镓晶体管以其高开关速度、低导通电阻和低损耗的特性，在开关电源中实现了更高的转换效率和更小的体积。在服务器电源中，采用氮化镓晶体管的开关电源能够显著提高能效，降低系统散热需求，从而节省能源和空间，降低数据中心的运营成本。在光伏逆变器和风力发电变流器等可再生能源系统中，氮化镓晶体管的高效率和高温稳定性使得其能够在恶劣的工作环境下保持稳定的性能。在太阳能发电站的光伏逆变器中，氮化镓晶体管能够将太阳能电池板产生的直流电高效地转换为交流电并接入电网，提高能源转换效率，降低发电成本；在风力发电场的变流器中，能适应风机运行时的振动、温度变化等环境因素，保障电力转换的稳定进行。在电动汽车、工业自动化等领域，电机驱动器对高效、紧凑和可靠性的要求越来越高。氮化镓晶体管在电机驱动器中的应用，不仅提高了系统的效率和功率密度，还降低了系统的运行成本和维护难度。在电动汽车的电机驱动系统中，氮化镓晶体管能够更精确地控制电机的转速和扭矩，提高电动汽车的动力性能和续航能力；在工业自动化生产线中，可实现对电机的快速响应控制，提高生产效率。3.3 汽车电子领域
在电动汽车充站中，氮化镓晶体管被用于高效、快速的充电设备中。其高效率和高温稳定性使得充电设备能够在短时间内为电动汽车提供充足的电能，同时保持稳定的性能。采用氮化镓晶体管的快速充电站，可以大大缩短电动汽车的充电时间，提高充电效率，缓解用户的里程焦虑，促进电动汽车的普及。车载逆变器是电动汽车中不可或缺的部件之一。采用氮化镓晶体管的车载逆变器能够实现更高的功率密度和更低的损耗，从而提高电动汽车的续航能力和行驶稳定性。将电动汽车电池的直流电转换为交流电，为车内的各种电器设备供电时，氮化镓晶体管的应用可减少能量在转换过程中的损失，使有限的电池电量能够得到更充分的利用。在电动汽车的电机控制系统中，氮化镓晶体管的高频特性和高功率密度使得其能够实现对电机的高效、精确控制。能够快速响应电机控制信号的变化，实现电机的快速启动、停止和调速，提高电机的运行效率和性能，进而提升电动汽车的整体性能。3.4 激光雷达领域
激光雷达作为自动驾驶汽车和智能机器人等领域的关键技术之一，对传感器的性能和可靠性有着极高的要求。氮化镓晶体管能够快速产生高电压、大电流的脉冲信号，为激光雷达提供稳定的激光脉冲输出。在自动驾驶汽车的激光雷达系统中，快速产生的高能量激光脉冲可以更准确地探测周围环境的距离和物体信息，提高自动驾驶的安全性和可靠性。在激光雷达系统中，氮化镓晶体管的高效能转换特性使得其能够将电能高效地转换为激光能量，从而提高系统的整体性能。减少了能量在转换过程中的损耗，使激光雷达能够以更低的功耗运行，同时提高激光的发射功率和探测精度，为自动驾驶和智能机器人等领域提供更可靠的环境感知能力。另外，据说斩杀阵风战机的功臣歼10CE和霹雳15E上所用的相控阵雷达就应用了很多氮化镓做TR组件。这么好的东西，印度万一用在光辉战机上怎么办？ 不用怕，在2023年7月3日，中国商务部和海关总署联合发布公告，决定对镓、锗相关物项实施出口管制，其中就包括氮化镓。公告明确，未经许可，不得出口氮化镓（包括但不限于晶片、粉末、碎料等形态）。而我国是全球最大的镓金属生产国和出口国，2023年全球镓产量为730吨，中国的产量约为701吨，占全球比例高达96.0%。注释：射频学堂原创或者转载的内容，其版权皆归原作者所有，其观点仅代表作者个人，射频学堂仅用于知识分享。如需转载或者引用，请与原作者联系。
