砷化镓（GaAs）曾经是高频固态器件、元件和集成电路（IC）的半导体材料的自动选择，从放大器到开关。
随着GaAs器件在射频/微波应用中的普及，它们迅速取代了传统的硅基半导体器件，如双极晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs），这些器件在频率上受到限制，而GaAs场效应晶体管（FETs）、异质结双极晶体管（HBTs）和高电子迁移率晶体管（HEMTs）则没有这些限制。
然而，在过去的十年中，氮化镓（GaN）已成为首选的高频半导体化合物，逐渐取代砷化镓在许多射频/微波应用中，特别是在需要更高频率、更高功率半导体的情况下。但为什么稳步转向GaN，以及GaAs和GaN在性能上有多大不同呢？
GaN和GaAs都是由两种元素组成的化合物半导体材料。这些材料以晶锭的形式生长，然后切割成薄片（见图），在这些薄片上制造半导体器件，包括被动电路元件。GaAs是更成熟的材料，商业上可用的薄片直径可达6英寸，而GaN自上世纪90年代以来用于制造发光二极管（LED），通常可用的薄片直径为2英寸。
GaAs作为高频小信号半导体器件的基板选择已经得到确认，特别是在需要低噪声指数的情况下，例如在接收机前端。GaAs单片微波集成电路（MMICs）广泛应用于便携式无线产品，如智能手机、平板电脑和Wi-Fi设备。开关和放大器等组件通常集成到这些GaAs MMICs中，这些电路设计用于在低电压和电流下运行，通常来自电池。
GaN，另一方面，已经被认为是一种功率工艺，能够制造能在+48 V直流电压及更高电压下运行的放大器的有源器件。由于GaN器件和MMIC的高电压能力，它们已成为无线基站功率放大器等应用的首选有源元件，并且正在逐步取代军用雷达甚至商用和工业微波炉中的高频电子真空管。对于相同输出功率等级，GaAs放大器往往比GaN放大器更线性，失真更少，尽管GaN器件已经与数字预失真（DPD）一起用于在更高频率下实现增强的线性度。
然而，在尝试比较在这两种高频半导体材料上制造的器件之间的差异之前，只需要评估这两种III-V化合物半导体的特性差异。这些关键材料特性包括相对介电常数（相对于真空的介电常数）、击穿电压、电子迁移率、饱和速度和热导率。
GaN和GaAs是用于高频固态器件的两种半导体衬底材料，制造在薄片上。(图片由厦门宝威先进材料有限公司提供)
GaN相对于GaAs被认为是一种宽禁带材料，其带隙约为3.4电子伏特，而GaAs的带隙为1.4电子伏特。材料的带隙与在该材料上形成的半导体中将电子从价带顶部移到导带底部所需的能量量有关。宽禁带通常指的是带隙大于1或2电子伏特的材料。
GaN在与高能量和功率相关的材料参数以及实现更高能量状态的速度方面通常优于GaAs。例如，GaN的饱和速度为2.7 × 10^7 cm/s，略高于GaAs的2.0 × 10^7 cm/s。临界击穿电压场决定了可以安全施加到固态器件的最高电压，而GaN的击穿电场为4 × 10^6 V/cm，远高于GaAs的5 × 10^5 V/cm。
GaN 具有一些特性，支持在给定频率和功率水平下制造更小的电路，从而实现设计师们追求的更高功率密度和效率，这对于功耗高效的无线基站和微蜂窝的设计非常重要。首先，GaN 的更高电压容量使得在给定功率水平下制造比 GaAs 材料更小的设备成为可能。例如，任何半导体晶片的缺陷密度将限制可以在该晶片上重复和可靠制造的电路的实际尺寸，这意味着设备面积应尽量减小以获得最佳的生产产量。
由于氮化镓材料的功率密度远高于砷化镓甚至硅半导体材料，热导率是表征器件将如何散热的重要材料参数，这是由于介质和导体损耗以及基本器件效率不高所致。氮化镓的热导率为1.7 W/cm-K，是砷化镓的三倍多，后者的热导率为0.46 W/cm-K。高热导率意味着在传导时温升最低，这一特性使得氮化镓器件能够比使用相同器件结构（如场效应晶体管（FET））的砷化镓器件承受更高功率水平。
目前，GaN器件是在不同基底材料上制造的，例如硅（Si）上的GaN和碳化硅（SiC）上的GaN晶片，关于哪种工艺提供最佳性能存在一些争议。一些大公司，如雷神公司，在支持军事应用方面拥有GaAs和GaN晶圆厂。许多商业晶圆厂将提供有关每种工艺优势的详细信息，其中一些晶圆厂，包括WIN半导体公司，全球通信半导体有限责任公司和Qorvo，提供不同形式的GaN工艺以及GaAs制造服务。
对于希望进行更细致比较的GaN和GaAs材料，MACOM提供了基于半打半导体工艺的产品，详细比较了不同半导体材料。
寻找零件？请访问SourceESB。