在主流应用方面，氮化镓(GaN)已经到达了技术创新和供应链转型的十字路口。GaN在半导体领域具有显著的优势。它被用于射频和LED应用，也可以有效地应用于太阳能应用。
一家正在使用氮化镓技术的公司是MACOM．我与战略副总裁Doug Carlson就GaN的发展方向和行业的变化进行了交谈。
王:在这一点上，您是否认为氮化镓是一项“经过验证的”技术，或者行业对氮化镓性能的预期仍在不断变化?
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卡尔森:氮化镓技术可实现的性能优势在射频和微波行业中已广为人知。GaN提供了高达8倍的原始功率密度的现有GaAs和LDMOS技术的高效率，并能够将器件技术扩展到高频。氮化镓技术还允许设备设计者在保持高效率的同时实现宽频带(图1)．这些都是被证实的好处。
氮化镓的许多早期可靠性挑战已经得到解决，如今，通过射频寿命测试，氮化镓在结温超过200°C时的平均失效时间(MTTF)超过106小时。虽然氮化镓在现有技术上取得了许多重大进展，但它还没有充分发挥其潜力。在未来的几年里，我们预计每台设备的总功率会有所提高，氮化镓将渗透到额外的射频功能中，并增加功能集成。
王:您如何描述GaN的早期市场轨迹?
卡尔森:从历史上看，GaN技术的发展主要是由政府资助和研发推动的。碳化硅上的氮化镓(SiC)目前已成功应用于军事领域，如宽带电子战干扰器和雷达系统，而硅上氮化镓(Si)已成功应用于军事通信。GaN在军事市场的使用继续扩大。这些初步的成功为其进入商业市场打开了大门，包括有线电视、蜂窝基础设施和其他应用。事实上，我们已经看到GaN在这些市场的初步渗透。
今天，我们才刚刚开始渗透和采用GaN市场。根据ABI研究公司的数据，2013年GaN的收入为1.886亿美元，这表明该技术在整个约95亿美元的模拟半导体市场中只占不到1%的份额。考虑到镓的广泛宣传，这种狭窄的市场渗透可能会让许多人感到惊讶，特别是当一个衡量镓在射频和微波市场之外的潜在影响时。有人说，没有一种单一的模拟功能不会因为GaN而变得更好。事实上，当氮化镓的成本结构与现有技术一致时，它对模拟领域的颠覆性影响将是巨大的。
王:您认为近期内GaN技术的最大市场增长动力是什么?
卡尔森:在射频领域，近期内GaN将在蜂窝基础设施应用中看到最高的增长。GaN的带宽、功率和效率优势为宏基站和小单元的采用提供了引人注目的驱动。它将进一步渗透蜂窝基础设施，为点对点通信提供解决方案。虽然氮化镓的军事用途将保持稳定，实际上还在增长，但商业市场将继续保持目前的趋势，并成为今天和未来的主要驱动因素。
氮化镓将在射频应用之外对微电子工业产生深远的影响。氮化镓，特别是硅上的氮化镓，将彻底改变电力转换市场，为高压电源管理寻求一种改进的半导体平台。氮化镓的许多基本特性使其成为射频的一个引人注目的解决方案，也使其成为功率转换的理想解决方案。这个市场可能比MACOM服务的射频和微波市场大10倍。
王:对于那些怀疑GaN过于昂贵而无法支持主流商业应用的人，您如何回答他们?
卡尔森:以目前的成本结构来看，氮化镓已经开始渗透到商业应用中。它的使用主要是由性能优势驱动的。进一步渗透到商业市场将对氮化镓从器件制造到封装的制造基础设施提出重大要求。整个供应链将不得不调整以适应增加的市场需求。
GaN-on-Si器件技术与高性能塑料封装解决方案相结合，非常适合解决大批量商业市场的挑战。当然，GaN-on-SiC技术将继续支持对价格不太敏感的应用。GaN的供应链是沿着这两条不同的路径定义的，毫无疑问，这些供应链看起来非常不同。氮化镓的成本效益与这些供应链的流程效率和最终可扩展性直接相关。
王:您如何描述和比较这两种口味GaN的流程效率和供应链，以及这些因素如何影响成本?
卡尔森:由于基板材料固有的成本结构，SiC上的氮化镓仍将是小体积、小生境应用的领域。从根本上说，在物理层面上，SiC颗粒的生长速度明显慢于硅。生产底物的主要成本驱动因素——尤其是增长期间的资本折旧和能源消耗——与生产时间成正比。因此，碳化硅上的氮化镓将永远保持较高的成本，因此无法用于主流商业用途。碳化硅生产的高伴随成本确保了该市场将由一组精选的高混合、小批量化合物半导体晶圆厂来服务。
相比之下，硅上氮化镓利用了广泛硅半导体行业的供应链和成本结构。这使得作为一项新技术，氮化镓可以利用巨大的工业制造规模，无论是在晶圆直径和纯制造量方面，同时也受益于数十年的优化过程控制。这些因素将推动GaN-on-Si的成本结构，在短期内堪比硅解决方案。
碳化物是一种相对较新的材料，工业规模应用的历史相对较短，而硅则受益于60多年的工业化和发展。硅氮化镓可以说是地球上技术最先进的材料，因此硅氮化镓的供应链具有许多有利于其自身的自然成本效率。
王:当GaN完全成熟时，它的市场前景会是怎样的?
卡尔森:我们预计，主流硅厂的GaN-on-Si成本结构将比今天的GaN-on-SiC结构显著降低。从小直径GaN开发晶圆厂扩展到200毫米硅晶圆厂，将实现数量级的成本降低。
为具有成本效益的生产提供可行的路线图，消除了主流采用氮化镓的最后一个障碍。GaN的成本结构将很快相交，并低于手机的GaAs。一旦实现了成本平价，性能更好的技术就会在性能最高的应用中取代现有技术。
要充分实现氮化镓的商业前景，还必须保证供应，以促进整个氮化镓供应链的稳定性和弹性——更不用说经济效率了。精确的双源支持是高容量、风险规避的应用程序的关键需求。
王:氮化镓组件封装技术对主流氮化镓采用的影响有多大?
卡尔森:氮化镓包装的选择是等式的重要组成部分，影响产品性能和成本，以及生产效率。最近，MACOM专注于为大功率GaN器件引入高性能、表面贴装塑料封装(图2)。塑料包装的大功率GaN使设计师能够采用传统的表面贴装制造方法及其相关的制造效率。通过这种方式，在塑料中采用GaN进一步推动了供应链成本降低的路线图。
王:什么时候系统设计师应该使用gan -on-陶瓷射频设备而不是gan -on-塑料射频设备?
卡尔森:陶瓷上的氮化镓仍然是必须密封以确保在环境挑战性条件下可靠运行的器件的封装选择。与目前可用的塑料封装GaN器件相比，陶瓷封装GaN器件的功耗水平要高得多。
在测量陶瓷封装和塑料封装的氮化镓射频晶体管的价值/有用适用性时，终端系统的目标生命周期通常是决定因素。例如，军用雷达系统设计者对环境强度和系统寿命的期望要高于许多消费品的设计者。基于陶瓷的氮化镓器件非常适合于能够提供长时间的高可靠性，且维护费用最少的系统，而且与商用系统相比，对成本压力的敏感度通常较低(图3)。
王:在氮化镓进入大众市场之前，还有其他需要跨越的障碍吗?
卡尔森:为了推动GaN进入主流市场，必须满足几个关键的需求，一些是由成本驱动的，另一些是与我们作为供应商如何使用这一新兴技术接近客户/系统设计师有关的。这里需要注意的实际考虑之一是，任何新技术都必须解决当前技术无法实现的技术问题。从这个意义上说，像GaN这样的新技术并不会取代旧技术，而是会增强功能和性能，从而允许下一波创新浪潮的到来。系统设计人员和GaN供应商都需要了解GaN在工具箱中的位置。
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另一个重要的基线考虑是应用程序支持。一般来说，系统设计师不是半导体技术和能力方面的专家，也不希望他们成为这方面的专家。这意味着供应商需要拿出的不仅仅是产品规格;他们应该有适当的系统和应用层面的知识，以帮助设计师构建一个更好的产品，充分捕捉GaN的优势。这些挑战可以很容易地通过设计师和供应商的精明结合来克服。
