5G功放技術(shù)戰(zhàn)-GaN和LDMOS各擅勝場

來源：RF技術(shù)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(diǎn)。

在基站應(yīng)用中，主要用于增強(qiáng)射頻信號的PA有兩種技術(shù)路線，一種是采用硅工藝的LDMOS（Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor，橫向擴(kuò)散MOS）技術(shù)，另外一種是基于三五族工藝的氮化鎵（GaN）技術(shù)。GaN技術(shù)性能比LDMOS更好，非常適合5G高頻應(yīng)用的需求，不過價(jià)格相對更貴，而且在制造上還有一些難度，導(dǎo)致其產(chǎn)能有限。LDMOS技術(shù)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(shí)很復(fù)雜。僅看射頻供應(yīng)鏈，芯片廠商開發(fā)制造PA等射頻芯片，這些廠商將其產(chǎn)品交由設(shè)備商進(jìn)行系統(tǒng)集成，設(shè)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(shù)，LDMOS工藝非常成熟，而且成本很低，在4G時(shí)代剛開始時(shí)是當(dāng)時(shí)市場的主流射頻技術(shù)。但GaN技術(shù)在4G時(shí)代嶄露頭角，并開始逐漸侵蝕GaN的傳統(tǒng)領(lǐng)地。

當(dāng)然，基站中的器件并不是只有PA，也有濾波器、射頻開關(guān)等器件，這些器件所用制造工藝也隨技術(shù)各有不同，也在隨技術(shù)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(qū)動了基于GaN的PA技術(shù)普及，中國的基站設(shè)備商在部署5G時(shí)采用了大量GaN工藝PA，其他國家的基站廠商在PA技術(shù)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(shí)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(tuán)市場戰(zhàn)略董事總經(jīng)理大衛(wèi)·海恩斯（David Haynes）說：“5G基礎(chǔ)設(shè)施對高密度、小尺寸天線陣列的需求，導(dǎo)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(yīng)頻率范圍更寬，有能力應(yīng)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(jī)構(gòu)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(yù)測，2025年GaN射頻市場規(guī)模將從現(xiàn)在的7.4億美元增長到20億美元，年復(fù)合增長率為12%，其中，移動通信的基礎(chǔ)設(shè)施和軍用雷達(dá)是射頻GaN的主要驅(qū)動力。

而根據(jù)IBS首席執(zhí)行官亨德爾·瓊斯（Handel Jones）的統(tǒng)計(jì)，中國在2019年建了13萬個(gè)5G基站，并計(jì)劃在2020年再裝50萬個(gè)。瓊斯說，到2024年，中國的目標(biāo)是部署600萬個(gè)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(dāng)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(shù)射頻GaN器件使用碳化硅（SiC）襯底。但也有數(shù)家廠商正在研究更有競爭力的硅襯底GaN。

中美貿(mào)易戰(zhàn)中芯片是重點(diǎn)領(lǐng)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(chǎn)業(yè)的影響尚難評估。

不斷發(fā)展的基站技術(shù)

現(xiàn)在移動通信基于4G LTE技術(shù)向后發(fā)展。該標(biāo)準(zhǔn)的工作頻率范圍是450MHz到3.7GHz,4G速度很快，但非常復(fù)雜，全球有40多個(gè)頻段，還要兼容2G和3G頻段。

4G LTE網(wǎng)絡(luò)由三部分組成-核心網(wǎng)絡(luò)、無線電接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）和終端設(shè)備（例如智能手機(jī)）。核心網(wǎng)絡(luò)由移動運(yùn)營商運(yùn)營，負(fù)責(zé)提供網(wǎng)絡(luò)中的所有功能和服務(wù)。

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

基站由兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)組成，即室內(nèi)基帶單元（Building Baseband Unit,簡稱BBU）和射頻拉遠(yuǎn)設(shè)備（Remote Radio Head，簡稱RRH）。位于地面上的BBU負(fù)責(zé)射頻信號處理功能，它充當(dāng)基站和核心網(wǎng)絡(luò)之間的接口。

RRH位于手機(jī)信號塔的頂部，由三個(gè)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(zhuǎn)換，而天線則發(fā)送和接收信號。

RRH內(nèi)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(shè)備將接收到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，上變頻為射頻信號，經(jīng)過放大，濾波然后通過天線發(fā)射出去。

市場研究機(jī)構(gòu)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(gè)發(fā)射通道，每座蜂窩塔有三個(gè)基站，呈扇形分布，每個(gè)基站覆蓋一定角度，因此（一座蜂窩塔）實(shí)際上有12個(gè)（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(gè)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(chǔ)設(shè)施客戶總監(jiān)詹姆斯·尼爾森（James Nelson）說：“收發(fā)器與數(shù)字基帶相連，從天線接收到的射頻信號（到數(shù)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(gòu)成大規(guī)模多入多出（MIMO）天線系統(tǒng)。利用波束成形技術(shù)，大規(guī)模MIMO協(xié)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(shù)，有些則也選擇6GHz以下波段?，F(xiàn)在毫米波仍只用于固定無線業(yè)務(wù)，當(dāng)前技術(shù)上還有很多困難，仍是一個(gè)小眾市場。當(dāng)運(yùn)營商開始在3.7GHz的C波段上部署5G時(shí)，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(shù)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(yīng)商有Ampleon、恩智浦等廠商。

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

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(shí)帶寬，可以減少射頻系統(tǒng)中功放的使用數(shù)量。

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

GaN技術(shù)出現(xiàn)卻很早，可以追溯到1970年代，當(dāng)時(shí)RCA設(shè)計(jì)了基于GaN的LED。二十年前，美國資助了用于軍事/航空應(yīng)用的GaN開發(fā)。GaN還用于有線電視放大器和功率半導(dǎo)體。

2014年，華為首次在基站中導(dǎo)入GaN工藝功放，GaN射頻市場開始騰飛。當(dāng)時(shí)還是LDMOS絕對主導(dǎo)，但市場很快發(fā)生變化。恩智浦射頻產(chǎn)品發(fā)布和全球分銷經(jīng)理格文·史密斯（Gavin Smith）說：“在4G剛開始部署時(shí)，LDMOS是當(dāng)時(shí)的主導(dǎo)技術(shù)，4G后期GaN開始被測試并部署，這個(gè)技術(shù)的轉(zhuǎn)變在5G更明顯，5G時(shí)代LDMOS和GaN兩種方案都得到了應(yīng)用。”

聯(lián)華電子旗下Wavetek首席技術(shù)官林嘉孚：“LDMOS在5G FR1高頻段力不從心，基于SiC的GaN現(xiàn)在是合適的選擇。由于其寬帶隙、高遷移率和良好的導(dǎo)熱性，射頻GaN器件具有寬帶應(yīng)用的優(yōu)勢，這是5G通信的關(guān)鍵器件之一?；赟iC的GaN適用于48V Doherty放大器，可為5G基站中的大功率放大器實(shí)現(xiàn)高效率、高耐用性?！?/p>

LDMOS也不會消失，中國運(yùn)營商正在部署低頻5G設(shè)施，LDMOS在這些領(lǐng)域還能發(fā)揮作用。

如果基于毫米波的5G技術(shù)開始大量部署時(shí)，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(jīng)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(mào)易戰(zhàn)之后，許多中國公司正試圖為5G基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)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?！?/p>

在最近的IMS2020會議上，各企業(yè)與機(jī)構(gòu)都發(fā)表了有關(guān)GaN射頻技術(shù)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(shù)持續(xù)改進(jìn)，但成本依然較高。提高效率是另一個(gè)挑戰(zhàn)。還有，GaN會遭受所謂動態(tài)導(dǎo)通電阻（dynamic on resistance）的困擾。

作為應(yīng)對，GaN射頻供應(yīng)商正在通過使用更大的晶圓尺寸生產(chǎn)（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(jù)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(guān)更快。Qorvo的尼爾森說：“電壓與柵極長度成比例。當(dāng)采用較小的柵極尺寸時(shí)，就無法驅(qū)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(jìn)的柵極長度是90納米。現(xiàn)在主流GaN芯片的柵長是150納米至500納米。

每種技術(shù)都有適用場景，尼爾森說：“0.15微米（即150納米）是最先進(jìn)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(shù)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(dá)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(yīng)對20至28V電壓應(yīng)用。”

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(dǎo)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(chǎn)的硅襯底GaN。8寸線可使每個(gè)晶圓生產(chǎn)更多的芯片，從而降低制造成本。

科銳/Wolfspeed的首席技術(shù)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(dǎo)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(bǔ)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。”

泛林集團(tuán)海恩斯說：“SiC基GaN將專注于最高功率和性能的應(yīng)用，而硅基GaN將主要面向?qū)Τ杀靖舾械膽?yīng)用。這是因?yàn)楣杌鵊aN具有與CMOS工藝兼容的可能，利用更大的晶圓尺寸和更先進(jìn)的晶圓制造技術(shù)能力，將GaN技術(shù)與其他工藝在多芯片模塊中實(shí)現(xiàn)集成?！?/p>

無論襯底類型如何，下一步都是使用金屬有機(jī)化學(xué)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。基于GaN，生成將電子從源極傳輸?shù)铰O的通道。

根據(jù)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(chǎn)品營銷高級經(jīng)理羅納德阿里夫（Ronald Arif）說：“頂層通常是一個(gè)薄的AlGaN層，在其下面覆蓋了幾微米厚的GaN層，以形成高速導(dǎo)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(zhì)量的均勻性和缺陷性方面提出了重大挑戰(zhàn)。”

下一步是在器件頂部形成源極和漏極。然后，在結(jié)構(gòu)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(gè)小口，金屬沉積在開口中，形成柵極。但有時(shí)，該工藝可能會損壞GaN表面的底部和側(cè)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(gè)緩慢的過程。因此，ALE可以與GaN的傳統(tǒng)蝕刻工藝結(jié)合使用。

泛林集團(tuán)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(shí)現(xiàn)原子精確、超低損傷以及對GaN / AlGaN結(jié)構(gòu)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(dāng)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(jìn)直接影響改善的設(shè)備性能和可靠性?！?/p>

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

結(jié)論

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

GaN對于智能手機(jī)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(guān)注的技術(shù)之一。

審核編輯黃昊宇