來源：RF技術社區(qū)

5G的快速部署，使得在基站中大量使用的功率放大器（PA,簡稱功放）芯片及其他射頻組件的需求持續(xù)增長，成為各家射頻公司爭奪的焦點。

在基站應用中，主要用于增強射頻信號的PA有兩種技術路線，一種是采用硅工藝的LDMOS（Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor，橫向擴散MOS）技術，另外一種是基于三五族工藝的氮化鎵（GaN）技術。GaN技術性能比LDMOS更好，非常適合5G高頻應用的需求，不過價格相對更貴，而且在制造上還有一些難度，導致其產能有限。LDMOS技術稍顯陳舊，有其局限性，但市場仍有需求。

快速發(fā)展的5G市場其實很復雜。僅看射頻供應鏈，芯片廠商開發(fā)制造PA等射頻芯片，這些廠商將其產品交由設備商進行系統(tǒng)集成，設備商利用射頻芯片及其他元器件開發(fā)出宏基站，以為蜂窩系統(tǒng)系統(tǒng)無線覆蓋。

3G基站的PA都是基于LDMOS技術，LDMOS工藝非常成熟，而且成本很低，在4G時代剛開始時是當時市場的主流射頻技術。但GaN技術在4G時代嶄露頭角，并開始逐漸侵蝕GaN的傳統(tǒng)領地。

當然，基站中的器件并不是只有PA，也有濾波器、射頻開關等器件，這些器件所用制造工藝也隨技術各有不同，也在隨技術發(fā)展而對器件工藝提出或大或小不同的新要求。

5G部署驅動了基于GaN的PA技術普及，中國的基站設備商在部署5G時采用了大量GaN工藝PA，其他國家的基站廠商在PA技術上跟隨了中國廠商路線。

5G頻譜分布在6GHz以下及28GHz以上毫米波的波段，頻率越高，LDMOS工藝的器件性能下降越多，這時候GaN優(yōu)勢就明顯了。與LDMOS相比，GaN器件功率密度更高，而且可以在更寬的頻率范圍工作。

泛林集團市場戰(zhàn)略董事總經理大衛(wèi)·海恩斯（David Haynes）說：“5G基礎設施對高密度、小尺寸天線陣列的需求，導致射頻系統(tǒng)中對功率和熱管理處理的難度大增，GaN能效高、功率密度高，適應頻率范圍更寬，有能力應對5G基站小型化趨勢?！?/p>

如前所述，5G可分為低頻段（6GHz以下）與高頻段（毫米波），在低頻段5G部署中，LDMOS還有用武之地。市場研究機構Yole分析師埃茲吉·道格馬斯（Ezgi Dogmus）說：“由于華為在4G部署中廣泛采用GaN，GaN在4G宏基站中正在搶奪LDMOS的市場份額；在5G的6GHz以下頻段，LDMOS和GaN在低功率有源天線系統(tǒng)中展開激烈競爭，而GaN在需要高帶寬的頻段中更受歡迎?！?/p>

種種跡象表明，GaN市場潛力驚人。Yole預測，2025年GaN射頻市場規(guī)模將從現在的7.4億美元增長到20億美元，年復合增長率為12%，其中，移動通信的基礎設施和軍用雷達是射頻GaN的主要驅動力。

而根據IBS首席執(zhí)行官亨德爾·瓊斯（Handel Jones）的統(tǒng)計，中國在2019年建了13萬個5G基站，并計劃在2020年再裝50萬個。瓊斯說，到2024年，中國的目標是部署600萬個5G基站，日本、韓國、美國和其他國家也正在大力推動5G。

上面只是射頻功放市場面貌的冰山一角。在射頻GaN中，至少還有其他因素影響：

GaN晶體管的柵極長度一般在1微米及以上。當然有些廠商在開發(fā)90納米及以下的工藝；

GaN廠商正在從4寸晶圓線（100mm）向6寸晶圓線（150mm）遷移，以降低成本。

大多數射頻GaN器件使用碳化硅（SiC）襯底。但也有數家廠商正在研究更有競爭力的硅襯底GaN。

中美貿易戰(zhàn)中芯片是重點領域，多家美國廠商需向美政府申請才能向華為供貨，這種因素對產業(yè)的影響尚難評估。

不斷發(fā)展的基站技術

現在移動通信基于4G LTE技術向后發(fā)展。該標準的工作頻率范圍是450MHz到3.7GHz,4G速度很快，但非常復雜，全球有40多個頻段，還要兼容2G和3G頻段。

4G LTE網絡由三部分組成-核心網絡、無線電接入網絡（RAN）和終端設備（例如智能手機）。核心網絡由移動運營商運營，負責提供網絡中的所有功能和服務。

RAN由基站組成的巨型蜂窩塔組成。RAN可視作一個中繼系統(tǒng)，在給定區(qū)域內可配置多個蜂窩塔。

基站由兩個獨立的系統(tǒng)組成，即室內基帶單元（Building Baseband Unit,簡稱BBU）和射頻拉遠設備（Remote Radio Head，簡稱RRH）。位于地面上的BBU負責射頻信號處理功能，它充當基站和核心網絡之間的接口。

RRH位于手機信號塔的頂部，由三個左右的矩形盒子組成。天線單元位于塔的頂部。RRH處理射頻信號的轉換，而天線則發(fā)送和接收信號。

RRH內部主要由發(fā)射和接收信號鏈的芯片組成。簡而言之，在該設備將接收到的數字信號轉換為模擬信號，上變頻為射頻信號，經過放大，濾波然后通過天線發(fā)射出去。

市場研究機構Mobile Experts分析師丹·麥克納馬拉（Dan McNamara）說：“較高端的4G基站都可能有四個發(fā)射通道，每座蜂窩塔有三個基站，呈扇形分布，每個基站覆蓋一定角度，因此（一座蜂窩塔）實際上有12個（收發(fā)通道）?！?/p>

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和4G相比，5G的延遲更低、吞吐量更大、頻率效率更高。每個國家都有不同的5G戰(zhàn)略。中國使用3.5GHz作為5G前期部署的頻段，5G基站類似于4G系統(tǒng)，但是規(guī)模更大。對于5G中低于6GHz的頻段，宏基站天線的功率范圍為40瓦、80瓦或100瓦。

在RRH的PCB上有各種器件，例如PA、低噪聲放大器（LNA）和收發(fā)器等。Qorvo 5G基礎設施客戶總監(jiān)詹姆斯·尼爾森（James Nelson）說：“收發(fā)器與數字基帶相連，從天線接收到的射頻信號（到數字基帶）是需要接收路徑的，我們的器件一般是基于砷化鎵（GaAs）工藝，也有基于硅工藝的器件。接收通道的放大器部分，通常是GaN器件?！?/p>

一座4G蜂窩塔有12條收發(fā)通道（傳輸鏈），而5G會有32條或64條通道。丹·麥克納馬拉表示，相比4G，5G對射頻器件的需求將是成倍的。

未來或許將會把RRH的全部或部分集成到天線中，以構成大規(guī)模多入多出（MIMO）天線系統(tǒng)。利用波束成形技術，大規(guī)模MIMO協同小天線完成通信功能。

美國的5G頻譜呈分裂的形態(tài)，不同電信公司選擇了不同的頻譜，有一些正在使用28GHz來部署更快的5G技術，有些則也選擇6GHz以下波段?，F在毫米波仍只用于固定無線業(yè)務，當前技術上還有很多困難，仍是一個小眾市場。當運營商開始在3.7GHz的C波段上部署5G時，美國5G普及速度將加快。

GaN與LDMOS

一般，5G基站高波段用GaN工藝PA，而低波段則是LDMOS和GaN技術混用。

傳統(tǒng)上，基站主要用LDMOS器件,該工藝基于硅，可在8寸晶圓廠中做到0.14微米工藝，主要供應商有Ampleon、恩智浦等廠商。

LDMOS仍在不斷改進，但2GHz以上的高頻段性能下降問題現在沒有好的解決方法?？其J（Cree） Wolfspeed部門射頻產品副總裁兼總經理杰哈德·沃爾夫（Gerhard Wolf）說：“如你所見，我們經歷過900MHz的GSM，然后是1.8GHz和2.1GHz,這些是LDMOS主導的傳統(tǒng)頻段，不過在波段7和波段41的2.69GHz,GaN應用已經開始出現，GaN在高頻下性能比LDMOS好，尤其是3.5GHz及以上的頻段?！?/p>

GaN是寬禁帶工藝，GaN的帶隙值為3.4 eV，而硅為1.1 eV。GaN功率密度更高，也支持更高的瞬時帶寬，可以減少射頻系統(tǒng)中功放的使用數量。

但是GaN器件的缺點是比LDMOS要貴不少，線性度也存在問題。不過，GaN仍是當前高頻射頻大功率功放的首選工藝。

GaN技術出現卻很早，可以追溯到1970年代，當時RCA設計了基于GaN的LED。二十年前，美國資助了用于軍事/航空應用的GaN開發(fā)。GaN還用于有線電視放大器和功率半導體。

2014年，華為首次在基站中導入GaN工藝功放，GaN射頻市場開始騰飛。當時還是LDMOS絕對主導，但市場很快發(fā)生變化。恩智浦射頻產品發(fā)布和全球分銷經理格文·史密斯（Gavin Smith）說：“在4G剛開始部署時，LDMOS是當時的主導技術，4G后期GaN開始被測試并部署，這個技術的轉變在5G更明顯，5G時代LDMOS和GaN兩種方案都得到了應用。”

聯華電子旗下Wavetek首席技術官林嘉孚：“LDMOS在5G FR1高頻段力不從心，基于SiC的GaN現在是合適的選擇。由于其寬帶隙、高遷移率和良好的導熱性，射頻GaN器件具有寬帶應用的優(yōu)勢，這是5G通信的關鍵器件之一。基于SiC的GaN適用于48V Doherty放大器，可為5G基站中的大功率放大器實現高效率、高耐用性。”

LDMOS也不會消失，中國運營商正在部署低頻5G設施，LDMOS在這些領域還能發(fā)揮作用。

如果基于毫米波的5G技術開始大量部署時，GaN的市場前景更好，林嘉孚說：“硅基GaN已被證明是28V或48V小型PA非常合適的候選射頻工藝?！?/p>

制造GaN

第一波5G基站已經完成部署，器件廠商正在開發(fā)基于GaN的新一代PA芯片，以期趕上下一波5G基站部署浪潮。

科銳、富士通、三菱、恩智浦、Qorvo、住友等在GaN射頻器件市場上競爭。Yole分析師艾哈莫德·本·蘇萊曼（Ahmed Ben Slimane）說：“中美貿易戰(zhàn)之后，許多中國公司正試圖為5G基礎設施應用開發(fā)GaN射頻器件，而部分美國公司丟掉了一些市場份額。”

在最近的IMS2020會議上，各企業(yè)與機構都發(fā)表了有關GaN射頻技術下一步發(fā)展的論文。其中：

弗勞恩霍夫（Fraunhofer）展示了工作在200GHz以上的G波段GaN功率放大器。

恩智浦介紹了一種效率為65％的300W GaN功率放大器。

Qorvo披露了其最新的90納米GaN工藝。GaN晶體管的峰值PAE（功率附加效率）為51％。

HRL開發(fā)了PAE為75％的漸變溝道GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）。

GaN射頻技術持續(xù)改進，但成本依然較高。提高效率是另一個挑戰(zhàn)。還有，GaN會遭受所謂動態(tài)導通電阻（dynamic on resistance）的困擾。

作為應對，GaN射頻供應商正在通過使用更大的晶圓尺寸生產（例如6英寸）、改善工藝流程以及其他方法來降低成本。

如上所述，GaN工藝HEMT是具有源極，柵極和漏極的橫向器件,據Qorvo稱，柵極的長度決定了器件的速度，較小的柵極意味著器件開關更快。Qorvo的尼爾森說：“電壓與柵極長度成比例。當采用較小的柵極尺寸時，就無法驅動大電壓，從而限制了功率輸出能力?！?/p>

在GaN射頻器件中，最先進的柵極長度是90納米?，F在主流GaN芯片的柵長是150納米至500納米。

每種技術都有適用場景，尼爾森說：“0.15微米（即150納米）是最先進的工藝之一。我們還有更高頻率的工藝，對于3.5GHz的基站，不會考慮用0.15微米的GaN工藝,功率和頻率參數不需要這種工藝，我們有0.5微米工藝，可以支持65V電壓，非常受雷達廠商的歡迎，0.5微米工藝也有48V版本。0.15微米工藝則可應對20至28V電壓應用?！?/p>

目前GaN的襯底主要用碳化硅（SiC），目前主流加工尺寸是4英寸，也有部分廠商能做6英寸的SiC襯底。

基于SiC的GaN導熱率高、性能好，但制造中良率較低，所以成本高昂。有些公司正在研究可在8寸晶圓廠中生產的硅襯底GaN。8寸線可使每個晶圓生產更多的芯片，從而降低制造成本。

科銳/Wolfspeed的首席技術官約翰·帕爾默（John Palmour）說：“保守地說，GaN市場95％都是碳化硅的襯底。開發(fā)硅基GaN的思路是襯底便宜，但是硅的導熱率是碳化硅的三分之一，要散發(fā)熱量就困難得多。為了彌補散熱難，必須把硅基GaN器件變大，所以最后不會真正在成本上獲益?！?/p>

泛林集團海恩斯說：“SiC基GaN將專注于最高功率和性能的應用，而硅基GaN將主要面向對成本更敏感的應用。這是因為硅基GaN具有與CMOS工藝兼容的可能，利用更大的晶圓尺寸和更先進的晶圓制造技術能力，將GaN技術與其他工藝在多芯片模塊中實現集成。”

無論襯底類型如何，下一步都是使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）系統(tǒng)在襯底上生長外延層。

首先，在襯底上生長緩沖層，然后是溝道層，然后是阻擋層?；贕aN，生成將電子從源極傳輸到漏極的通道。

根據Qorvo的說法，基于摻雜有碳或鐵的GaN材料，可防止電子移動到襯底中的緩沖層。勢壘基于氮化鋁鎵（AlGaN），將柵極和溝道隔離。

Veeco產品營銷高級經理羅納德阿里夫（Ronald Arif）說：“頂層通常是一個薄的AlGaN層，在其下面覆蓋了幾微米厚的GaN層，以形成高速導電通道所需的2D電子氣。通過MOCVD生長GaN-on-SiC是成熟工藝，但由于成本和集成度的考慮，行業(yè)傾向于在硅襯底上生長GaN材料。但這對材料質量的均勻性和缺陷性方面提出了重大挑戰(zhàn)?！?/p>

下一步是在器件頂部形成源極和漏極。然后，在結構上沉積一層氮化硅。

下一步是形成柵極。在器件上，蝕刻系統(tǒng)蝕刻出一個小口，金屬沉積在開口中，形成柵極。但有時，該工藝可能會損壞GaN表面的底部和側壁。

因此，制造商正在探索將原子層蝕刻（ALE）用于GaN的可能。ALE以原子級去除材料，但這是一個緩慢的過程。因此，ALE可以與GaN的傳統(tǒng)蝕刻工藝結合使用。

泛林集團的海恩斯說：“可能需要一套定制蝕刻工藝來解決氮化鎵HEMT和MIMIC制造的特殊困難，其中包括使用ALE實現原子精確、超低損傷以及對GaN / AlGaN結構的高度選擇性蝕刻。與傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)蝕刻工藝和表面粗糙度（相當于沉積的外延膜）相比，我們證明了使用這種方法蝕刻后GaN薄層電阻降低了2倍。此類改進直接影響改善的設備性能和可靠性。”

最后，將基板減薄，并將底部金屬化。據Qorvo稱，在基板的頂部和底部之間形成通孔，可降低電感。

結論

多年來，廠商一直在討論能否將GaN用作智能手機的PA。當今的手機用砷化鎵（GaAs）工藝PA。

GaN對于智能手機而言太貴了。但GaN在其他射頻市場越來越受歡迎，使其成為眾多值得關注的技術之一。

審核編輯黃昊宇