实现5G的关键技术——GaN

日前，由 EETOP 联合 KEYSIGHT 共同举办的“2020 中国半导体芯动力高峰论坛”隆重举行。Qorvo 无线基础设施部门高级应用工程师周鹏飞也受邀参与了这次盛会，并发表了题为《实现 5G 的关键技术—— GaN》的演讲。    

首先，周鹏飞给我们介绍了无线基础设施的发展。他表示，每一代移动通信的发展大约都会经历 10 年左右的发展周期。而今年是 5G 元年，我们也能正式进入了 5G 时代。

“与 4G 相比，5G 频率比较高，因此为了实现相同的网络覆盖， 5G 基站的数量需要达到 4G 的三到五倍。统计数据显示：在去年，仅在国内就部署了 17 万个 5G 宏基站，今年预计部署约 60 万个基站”，周鹏飞说。

根据应用需求，5G 基站不仅要满足高速率、大容量、广覆盖、低延时等要求，同时还要满足低功耗，低成本等要求，这就让5G 基站不得不面对功耗，覆盖，成本以及杀手级应用市场在短期内还难以解决等难题。

为了解决上述问题，就给相关射频器件带来了新的机遇和挑战。

周鹏飞表示，氮化镓是 5G 时代的一个理想半导体材料。但这并非意味着完全替代第一代和第二代半导体工艺。

在他看来，基带处理芯片依旧会以 CMOS 为主导，小功率芯片还会采用 GaAs 工艺，这些工艺不仅成熟，而且成本低，完全可以满足基站系统中基带和小信号部分的要求。

“但作为末级功放，不仅影响着覆盖范围，同时也与整机系统效率紧密相关。随着 EIRP 的提高，GaN 与其它工艺相比，具有先天的一些优势：比如高功率密度，高效率和大带宽等优势。”周鹏飞接着说。

“如下图所示，与其他材料相比，在相同的 EIRP 的情况下，GaN在功耗，系统成本甚至设计复杂度等方面都有着其他材料无可比拟的优势”，周鹏飞说。

“高功率密度是 GaN 最大的优势，所以开发者能基于此在比较小的尺寸上开发出更高功率的器件”，周鹏飞进一步指出。

“在 Sub-6Ghz 频段，PA 还是独立在 FEM 之外，但到了毫米波频段，有可能需要把 PA、LNA 和 Switch 等器件都集成到一个 FEM 里面，这种高集成度的 FEM 需要 MMIC 方案才能实现，GaN 材料可以实现更小尺寸，更大功率的 PA，更低噪声的 LNA，更小插损的 Switch, 所以针对毫米波频段，用氮化镓来开发 FEM 就非常适用”，周鹏飞表示。

他进一步指出，从 4G 走向 5G，GaN PA 将完全取代 LDMOS 器件，这是因为其拥有高效、高功率、高导热系数和大带宽等优势，非常适合 5G 的应用。但与此同时，有人指出，与 LDMOS 相比，单颗氮化镓器件的成本相对较高。

针对这个观点，周鹏飞在演讲中指出，在 5G 应用上，氮化镓和 LDMOS 器件的成本相差不远，因为这些器件的最大成本不是在 die 上，而是在管壳上。他表示，目前在 Massive MIMO 上应用的 GaN PA，由于单通道的功率并不高，基本都采用了低成本的塑封，所以成本不会太高。

“随着 5G 海量出货，以及后续 wafer 技术更新为 6 英寸，成本将会进一步降低”，周鹏飞接着说。

从衬底方面看，当前主流的氮化镓衬底有硅衬底和 SiC 衬底两种方案，目前大部分厂商都是使用 SiC 衬底的氮化镓。在周鹏飞看来，这两种不同衬底氮化镓的最大区别在于“热”，热耗是最难处理的问题之一。

从下图我们也可以看到，GaN on SiC 比 GaN on Si 有热、沟道温度和寿命方面的优势。

从氮化镓材料本身特性来看，氮化镓的器件也有和其他”竞争对手”所不具备的优势，具体如下图所示。

GaN on SiC 的优势也能从下图中一览无遗。其高带宽、高效和高功率特性可以帮助客户做出更小尺寸的器件，进而帮助打造更小、更简单、更轻，且成本更低的系统。

“得益于各个国家和地区对 5G 的布局，5G 网络基础设施在未来几年将会获得快速的增长，这就给相关的射频器件供应商带来了机遇”，周鹏飞说。

作为业界领先的射频供应商，Qorvo 在氮化镓技术方面有深厚的积累。这些不同的工艺有不同的技术优势，也被应用到不同的场景当中。

“如 QGaN15 是瞄准高带宽的微波和Ka波段的产品，QGaN25 则聚焦在 X 和 Ku 波段，QGaN25HV 则盯着 L 和 S 波段的产品，QGaN50 生产的产品则更适用于 UHF 和 C 波段的频率”，周鹏飞说。

“Qorvo 氮化镓器件的 MTTF 在 200C 的情况下，可以达到 10 的七次方小时，足以说明 Qorvo 氮化镓器件在可靠性方面的优势”，周鹏飞进一步强调。

据周鹏飞介绍，除了氮化镓以外，Qorvo 还拥有 GaAs、SOI，BAW, SAW 和 RF CMOS 等多种其他制程方面技术，公司同时在封测和规模效应方面也有领先的优势，这让其成为了全球领先的氮化镓射频器件供应商。

得益于这些技术积累，Qorvo面向 Sub-6Ghz 领域提供了极具竞争力的射频前端方案。

针对末级 GaN PA，Qorvo 更是提供了 Discrete 和 DPAM 等多样化的方案，以供客户选择。

责任编辑：YYX