GaN：實現5G的關鍵技術

日前，由 EETOP 聯合 KEYSIGHT 共同舉辦的“2020 中國半導體芯動力高峰論壇”隆重舉行。Qorvo 無線基礎設施部門高級應用工程師周鵬飛也受邀參與了這次盛會，并發表了題為《實現 5G 的關鍵技術—— GaN》的演講。

首先，周鵬飛給我們介紹了無線基礎設施的發展。他表示，每一代移動通信的發展大約都會經歷 10 年左右的發展周期。而今年是 5G 元年，我們也能正式進入了 5G 時代。

“與 4G 相比，5G 頻率比較高，因此為了實現相同的網絡覆蓋， 5G 基站的數量需要達到 4G 的三到五倍。統計數據顯示：在去年，僅在國內就部署了 17 萬個 5G 宏基站，今年預計部署約 60 萬個基站”，周鵬飛說。

根據應用需求，5G 基站不僅要滿足高速率、大容量、廣覆蓋、低延時等要求，同時還要滿足低功耗，低成本等要求，這就讓5G 基站不得不面對功耗，覆蓋，成本以及殺手級應用市場在短期內還難以解決等難題。

為了解決上述問題，就給相關射頻器件帶來了新的機遇和挑戰。

周鵬飛表示，氮化鎵是 5G 時代的一個理想半導體材料。但這并非意味著完全替代第一代和第二代半導體工藝。

在他看來，基帶處理芯片依舊會以 CMOS 為主導，小功率芯片還會采用 GaAs 工藝，這些工藝不僅成熟，而且成本低，完全可以滿足基站系統中基帶和小信號部分的要求。

“但作為末級功放，不僅影響著覆蓋范圍，同時也與整機系統效率緊密相關。隨著 EIRP 的提高，GaN 與其它工藝相比，具有先天的一些優勢：比如高功率密度，高效率和大帶寬等優勢。”周鵬飛接著說。

“如下圖所示，與其他材料相比，在相同的 EIRP 的情況下，GaN在功耗，系統成本甚至設計復雜度等方面都有著其他材料無可比擬的優勢”，周鵬飛說。

“高功率密度是 GaN 最大的優勢，所以開發者能基于此在比較小的尺寸上開發出更高功率的器件”，周鵬飛進一步指出。

“在 Sub-6Ghz 頻段，PA 還是獨立在 FEM 之外，但到了毫米波頻段，有可能需要把 PA、LNA 和 Switch 等器件都集成到一個 FEM 里面，這種高集成度的 FEM 需要 MMIC 方案才能實現，GaN 材料可以實現更小尺寸，更大功率的 PA，更低噪聲的 LNA，更小插損的 Switch, 所以針對毫米波頻段，用氮化鎵來開發 FEM 就非常適用”，周鵬飛表示。

他進一步指出，從 4G 走向 5G，GaN PA 將完全取代 LDMOS 器件，這是因為其擁有高效、高功率、高導熱系數和大帶寬等優勢，非常適合 5G 的應用。但與此同時，有人指出，與 LDMOS 相比，單顆氮化鎵器件的成本相對較高。

針對這個觀點，周鵬飛在演講中指出，在 5G 應用上，氮化鎵和 LDMOS 器件的成本相差不遠，因為這些器件的最大成本不是在 die 上，而是在管殼上。他表示，目前在 Massive MIMO 上應用的 GaN PA，由于單通道的功率并不高，基本都采用了低成本的塑封，所以成本不會太高。

“隨著 5G 海量出貨，以及后續 wafer 技術更新為 6 英寸，成本將會進一步降低”，周鵬飛接著說。

從襯底方面看，當前主流的氮化鎵襯底有硅襯底和 SiC 襯底兩種方案，目前大部分廠商都是使用 SiC 襯底的氮化鎵。在周鵬飛看來，這兩種不同襯底氮化鎵的最大區別在于“熱”，熱耗是最難處理的問題之一。

從下圖我們也可以看到，GaN on SiC 比 GaN on Si 有熱、溝道溫度和壽命方面的優勢。

從氮化鎵材料本身特性來看，氮化鎵的器件也有和其他”競爭對手”所不具備的優勢，具體如下圖所示。

GaN on SiC 的優勢也能從下圖中一覽無遺。其高帶寬、高效和高功率特性可以幫助客戶做出更小尺寸的器件，進而幫助打造更小、更簡單、更輕，且成本更低的系統。

“得益于各個國家和地區對 5G 的布局，5G 網絡基礎設施在未來幾年將會獲得快速的增長，這就給相關的射頻器件供應商帶來了機遇”，周鵬飛說。

作為業界領先的射頻供應商，Qorvo 在氮化鎵技術方面有深厚的積累。這些不同的工藝有不同的技術優勢，也被應用到不同的場景當中。

“如 QGaN15 是瞄準高帶寬的微波和Ka波段的產品，QGaN25 則聚焦在 X 和 Ku 波段，QGaN25HV 則盯著 L 和 S 波段的產品，QGaN50 生產的產品則更適用于 UHF 和 C 波段的頻率”，周鵬飛說。

“Qorvo 氮化鎵器件的 MTTF 在 200C 的情況下，可以達到 10 的七次方小時，足以說明 Qorvo 氮化鎵器件在可靠性方面的優勢”，周鵬飛進一步強調。

據周鵬飛介紹，除了氮化鎵以外，Qorvo 還擁有 GaAs、SOI，BAW, SAW 和 RF CMOS 等多種其他制程方面技術，公司同時在封測和規模效應方面也有領先的優勢，這讓其成為了全球領先的氮化鎵射頻器件供應商。

得益于這些技術積累，Qorvo面向 Sub-6Ghz 領域提供了極具競爭力的射頻前端方案。

針對末級 GaN PA，Qorvo 更是提供了 Discrete 和 DPAM 等多樣化的方案，以供客戶選擇。