GaN毫米波器件面临的几点挑战

伴随着5G时代的到来，相关的电子元件也在向着更高的频率、更高的效率上发展。GaN（氮化镓）作为新一代半导体材料，能够满足电子器件向着毫米波方向发展的需求。因此，在5G时代下，GaN毫米波器件的发展也被市场普遍看好。

氮化镓毫米波器件的市场规模

据麦姆斯咨询报道，GaN将在未来几十年内以20%的复合年增长率（CAGR）显著地渗透两个主要市场——国防和无线通信。

在通信方面，由于5G通信相比于4G通信快10倍以上的通信速率，可将频谱带宽提高10倍以上。而GaN毫米波器件则具有高频、高效率、超宽频的特点，正符合未来5G通讯的需求——在5G毫米波应用上，GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。凭借GaN毫米波器件的优势，使得其能够在高性能无线解决方案中发挥关键作用。

在众多GaN毫米波器件中，又属GaN射频器件市场被众多从业者所看好。据Yole预测，2016-2020年GaN射频器件市场也将扩大至目前的2倍，市场复合年增长率（CAGR）将达到4%；2020年末，市场规模将扩大至目前的2.5倍。2019-2020年，5G网络的实施将接棒推动GaN市场增长。未来10年，GaN市场将有望超过30亿美元。

以GaN放大器为例，根据电子创新网消息显示，2019 年为中国5G建设元年，基站端GaN放大器同比增长达71.4%；2020年为5G建设爆发年，基站端GaN 放大器市场规模达32.7亿元，同比增长340.8%；预计到2023年基站端GaN放大器市场规模达121.7亿元，但2021~2023年同比增速逐渐下降。

依据拓璞分析，GaN放大器需求数量在2019-2023年保持快速增长，2023年达 18117万个，按照4” GaN晶圆切400个计算，则需要GaN晶圆数量达45万片。就增速而言，2020年增速最高，高达369%。

氮化镓毫米波器件的挑战

GaN非常适合提供毫米波领域所需的高频率和宽带宽，可以满足性能和小尺寸要求。但是在制造的过程中，仍存在着很大的挑战——基于InAlGaN、AlN等势垒材料是未来实现更高频率的选择，但这类高质量的外延层更难获得。另外，基于2DEG工作模式的器件，其线性问题会影响到器件在通讯领域的应用。因此，提高线性是通讯用毫米波器件的挑战。

GaN毫米波栅结构主要分为两种。 一种是I型栅，I型栅的优势是制作简单，栅寄生电容小（提高ft），但是栅电阻太大，严重影响fmax，使器件在大功率应用中没有可用性。另外一种是T型栅，栅上部长度可以降低栅电阻从而提高fmax，栅高度可以降低栅寄生电容的影响。T型栅总体上增加了栅寄生电容（降低ft），同时工艺难度大，成品率低。

为了满足GaN毫米波器件保持高输出功率、高带宽以及高效率的要求，于是，AlGaN/GaN HEMT器件成为了重点研究对象之一。但传统T型栅GaN基HEMT器件，由于栅帽下方SiN钝化层的介电常数较高，使得米勒反馈电容较大，从而造成了器件的正向传输增益退化，影响器件的频率特性。

经过探索，有专家认为绝缘栅结构MIS-HEMT，能够有效抑制常规的肖特基栅泄漏电流，是提高器件效率的有效途径。并通过低欧姆接触工艺技术，能够让GaN毫米波器件得到有效的优化。

在泰克公司第三届半导体材料器件表征及可靠性研究交流会上，有行业专家分享了这方面的研究成果，