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作者：暢秋
在手機通信系統當中，無論是手機端，還是基站端，射頻（RF）系統的重要性越來越突出，特別是5G的發(fā)展和逐漸普及，對RF前端的性能、功耗綜合水平的要求更高了。無論是手機還是基站，RF前端系統當中，PA（功率放大器）都是重中之重，隨著5G的普及，傳統半導體材料和工藝已經難以滿足應用需求，特別是在基站端，是多種新工藝施展拳腳的絕佳舞臺。
憑借高功率、高頻工作環(huán)境下的優(yōu)良性能，氮化鎵（GaN）正在快速崛起，特別是在RF應用領域，GaN都代表著高功率和高性能應用場景的未來，將在很大程度上替代砷化鎵（GaAs）和LDMOS。
Strategy Analytics指出：基站是RF GaN收入的主要來源，且增長最快。RF GaN器件（主要是PA）在商業(yè)和國防應用中的基本面非常強勁，預計到2025年收入將接近20億美元。
在基站端，傳統LDMOS工藝用的比較多，但是，LDMOS 技術更適用于低頻段，在高頻應用領域存在局限性。為了適應5G網絡對性能和功率效率的需求，越來越多地應用到了GaN，它能較好地適用于大規(guī)模MIMO。在手機端，射頻前端PA還是以GaAs工藝為主，目前還看不到GaN的機會，主要原因是成本和高電壓特性，這在手機內難以接受。
不過，隨著工藝水平的提升，以及成本的下降，未來，RF GaN應用于手機等便攜式設備是可以期待的。 由于基站越來越多地用到了多天線MIMO技術，這對PA提出了更多需求。預計到2022年，4G/ 5G基礎用的射頻半導體市場規(guī)模將達到16億美元，其中，MIMO PA的年復合增長率將達到135%，射頻前端模塊的年復合增長率將達到 119%。
相對于4G，5G基站用到的PA數會加倍增長。4G基站采用4T4R方案，按照三個扇區(qū)，對應的射頻PA需求量為12個，5G基站中，預計64T64R將成為主流方案，對應的PA需求量高達192個。
GaN PA前景可期
雖然，5G發(fā)展前景可期，但相關技術依然未達到成熟水平，特別是功耗問題，無論是基站，還是手機，都存在這個問題。
特別是基站，目前來看功耗比4G高出不少，而在所有耗電的芯片元器件當中，PA是大戶。因為射頻信號功率很小，只有經過PA放大獲得足夠的射頻功率后，才能饋送到天線并發(fā)射出去，因此，PA是基站發(fā)射系統的重要器件。與此同時，PA也是最耗電、效率較低的器件，有統計顯示，約一半的基站功率消耗在了PA上。
基站用PA市場空間巨大，但其性能和功率效率問題亟待解決。在這樣的背景下，新工藝技術替代傳統工藝早已被提上了議事日程。 GaN具有優(yōu)異的高功率密度和高頻特性。GaAs擁有微波頻率和5V至7V的工作電壓，多年來一直廣泛應用于PA。硅基LDMOS技術的工作電壓為28V，已經在電信領域使用了許多年，但其主要在4GHz以下頻率發(fā)揮作用，高頻應用較少。相比之下，GaN的工作電壓為28V至50V，具有更高的功率密度和截止頻率，在MIMO應用中，可實現高整合性解決方案。
在宏基站PA應用中，GaN憑借高頻、高輸出功率的優(yōu)勢，正在逐漸取代LDMOS；在小基站中，未來一段時間內仍然以GaAs工藝為主，這是因為它具備可靠性和高性價比的優(yōu)勢，但隨著GaN器件成本的降低和技術的提高，GaN PA有望在小基站應用中逐步拓展。
在不久的將來，大部分6GHz以下宏基站應用都將采用基于GaN工藝的PA，5G網絡采用的頻段更高，穿透力與覆蓋范圍將比4G更差，因此，小基站將在5G網絡建設中扮演很重要的角色。不過，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs等現有技術仍有其優(yōu)勢。而傳統的LDMOS工藝在基站用PA市場的份額將逐年減少。
GaN襯底之爭
目前，GaN外延片主要有兩種襯底技術，分別是GaN-on-Si（硅基氮化鎵）和GaN-on-SiC（碳化硅基氮化鎵）。另外，還有GaN-on-sapphire和GaN-on-GaN，不過這兩種襯底的應用市場很有限。
在性能方面，GaN-on-SiC相對更好，但價格明顯高于GaN-on-Si。GaN-on-Si生長速度較快，也較容易擴展到8英寸晶圓。雖然GaN-on-Si性能略遜于GaN-on-SiC，但目前工藝水平制造的器件已能達到 LDMOS 原始功率密度的5-8 倍，在高于2GHz的頻率工作時，成本與同等性能的LDMOS 相差不大。
GaN-on-SiC結合了SiC優(yōu)異的導熱性，以及GaN的高功率密度、低損耗能力，與Si相比，SiC是一種非常“耗散”的襯底，此基板上的器件可以在高電壓和高漏極電流下運行，結溫將隨射頻功率而緩慢升高，因此，其射頻性能更好，是射頻應用的理想材料。在相同的耗散條件下，SiC器件的可靠性和使用壽命更好。另外，SiC具有高電阻特性：這非常有利于毫米波傳輸，這在設計帶有大型匹配電路的高頻MMIC時很有價值。但是，SiC襯底仍然限制在4英寸與6英寸晶圓，8英寸的還沒有推廣。
目前，業(yè)界多數商用RF GaN器件采用GaN-on-SiC襯底。 SiC獨特的電子和熱性能使其非常適合高功率和高頻半導體器件,其性能遠超過Si或GaAs。GaN-on-SiC技術的關鍵優(yōu)勢包括降低開關損耗、更高的功率密度、更好的散熱和更高的帶寬容量。在系統層面，可以實現高度緊湊的解決方案，大大提高功率效率，降低成本。
在射頻應用方面，Wolfspeed（Cree）擁有最強的實力，在射頻應用的 GaN HEMT 專利競爭中，尤其在GaN-on-SiC技術方面，該公司處于領先地位。英特爾和MACOM是最活躍的射頻GaN專利申請者，主要聚焦在GaN-on-Si技術領域。GaN射頻HEMT相關專利領域的新進入者主要是中國廠商，如HiWafer（海威華芯）、三安集成和華進創(chuàng)威。
GaN-on-Si發(fā)展提速
雖然GaN-on-Si性能略遜于GaN-on-SiC，但硅基技術與CMOS工藝兼容，使GaN器件與CMOS工藝器件能很好地集成在一塊芯片上。這使得GaN-on-Si成為市場的潛力股，未來有望大量導入5G基站PA。
GaN-on-Si器件具有擊穿電壓高、導通電阻低、開關速度快、零反向恢復電荷、體積小和能耗低、抗輻射等優(yōu)勢。理論上相同擊穿電壓與導通電阻下的芯片面積僅為Si的千分之一，目前能做到十分之一。
與傳統LDMOS工藝相比，GaN-on-Si的性能優(yōu)勢很明顯，它可提供超過70%的功率效率，將每單位面積的功率提高了4到6倍，并且可擴展至高頻率。
與GaN-on-SiC相比，GaN-on-Si方案最大的優(yōu)勢就是襯底成本低，器件工藝能量密度高、可靠性高，也更容易向8英寸等大尺寸晶圓轉移，以提升成本效益和投入產出比。此外，其與CMOS具有較好的兼容性，可以利用現有硅晶圓代工廠已有的規(guī)模生產優(yōu)勢，實現產品的規(guī)模量產和快速上市。而從應用發(fā)展角度來看，5G通信對射頻元器件的需求正在快速增加過程中，需要大批量、低成本的GaN射頻芯片，而這也給GaN-on-Si提供了發(fā)展契機。
作為挑戰(zhàn)者，GaN-on-Si商用仍在起步階段，有望提供經濟高效和可擴展的解決方案，截至2021年第二季度，其市場容量很小，但這種PA憑借高帶寬和小尺寸吸引了智能手機OEM。隨著關鍵廠商的技術進步，一些低于6GHz的5G手機很可能很快采用。
最近，代工廠的進入，以及與新興GaN-on-Si功率電子器件產業(yè)的協同效應正在加速其RF應用發(fā)展。有統計顯示，在手持設備、國防和5G電信基礎設施的推動下，預計到2026年，GaN-on-Si器件市場復合年增長率將達到86%。
廠商方面，Qorvo、Wolfspeed等傳統大廠都傾向于采用GaN-on-SiC方案，使得該技術成為了目前市場的主流。但是GaN-on-Si憑借其先天優(yōu)勢，正在被越來越多的廠商采用。目前來看，MACOM, Ommic、三安光電，英諾賽科等廠商在重點研發(fā)基站用GaN-on-Si射頻和功率芯片（包括Sub-6GHz和毫米波兩大頻段）。特別是MACOM，該公司是GaN-ON-Si工藝的主要倡導者。
5月中旬，意法半導體和MACOM宣布，RF GaN-on-Si原型芯片制造成功。據悉，意法半導體制造的RF GaN-on-Si原型晶圓和相關器件已達到成本和性能目標，完全能夠與市場上現有的LDMOS和 GaN-on-SiC技術展開有效競爭?，F在，這些原型即將進入認證測試和量產階段，意法半導體計劃在2022年實現這一重要目標。為此，該公司和MACOM已著手研究如何加大投入力度，以加快RF GaN-on-Si產品上市。
結語
相較于SiC在功率器件市場的如魚得水，GaN在射頻領域的應用更具優(yōu)勢，當然，GaN在功率應用領域同樣有存在感，如近些年十分吸引眼球的、以GaN器件為核心的手機充電器?？傮w來看，GaN比SiC的應用領域更加廣闊。 根據不同的襯底選擇，GaN的應用會更加多樣化，GaN-on-SiC基的性能更佳，但成本高昂，主要用于以基站為代表的大功率應用場景。
隨著GaN應用的普及，特別是向手持式設備的RF模組滲透，其對性能的要求沒有GaN-on-SiC那么高，但成本更加敏感，此時，GaN-on-Si的特點就凸顯出來，其低成本和與CMOS工藝兼容性好的優(yōu)勢就具有了高權重，與以往相比，表現出了更廣闊的發(fā)展前景。
