氮化鎵如何在5G時代大展拳腳？

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，5G的角逐似乎正在不斷加速，尤其是在美國，AT&T和Verizon等主要電信運營商宣布將在2018年底之前推出5G服務。先進的LTE（LTE-A）已經(jīng)迅速升級擴展到當前的基站（BS）。LTE-PRO（亦即4.5G）的現(xiàn)場試驗正在全面展開，下載速度已經(jīng)達到1 Gbps。固定無線接入（FWA）技術也已經(jīng)通過了大量的現(xiàn)場試驗，展示了毫米波（mmWave）頻譜的早期成功應用。

5G發(fā)展時間表數(shù)據(jù)來源：《5G對射頻（RF）前端產(chǎn)業(yè)的影響》對5G的嚴格要求不僅體現(xiàn)在宏觀上帶來基站密度致密化，還要求在器件級別上實現(xiàn)功率密度的增強。據(jù)麥姆斯咨詢報道，GaN（氮化鎵）將在未來幾十年內(nèi)以20%的復合年增長率（CAGR）顯著地滲透兩個主要市場——國防和無線通信。雖然許多其它化合物半導體和工藝也將在5G發(fā)展中發(fā)揮重要作用，但很明顯地，GaN將以其功率/效率水平和高頻性能，在高性能無線解決方案中發(fā)揮關鍵作用。先進調制方案考慮因素隨著蜂窩技術的發(fā)展，所使用的調制方案通常是由具有高峰值平均功率比（PAPR，峰值功率與信號的平均功率之比）的非恒定包絡來定義的。如下圖所示，PAPR從3G（W-CDMA）的大約2:1急劇增長到了4G（LTE / OFDM）的7:1。并且，雖然OFDM等先進調制方案在有限的網(wǎng)絡資源下實現(xiàn)了非常高的速度，但是頻譜效率的提高，是以功率放大器（PA）的能量效率下降為代價的。

移動通訊信號PAPR的發(fā)展為了避免信號失真，必須對高PAPR波形進行線性放大。如果信號通過非線性PA，則會發(fā)生帶內(nèi)失真，進而增加誤碼率（BER）和帶外輻射，從而導致相鄰信道干擾。因此，這些高功率放大器往往需要在線性和效率之間進行權衡。

數(shù)據(jù)傳輸速度 vs. 載波單元（Component Carrier）數(shù)據(jù)來源：《5G對手機射頻前端模組和連接性的影響》

載波聚合考慮因素除了存在不斷增長的PAPR設計約束，還需要運行在比傳統(tǒng)PA更寬的帶寬上。移動網(wǎng)絡運營商（MNO）已經(jīng)面臨著實現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率的需求，但嚴重受限于低于20 MHz的帶寬。載波聚合便是為了在頻譜稀疏的運行區(qū)間大幅增加有效帶寬。載波聚合將同一頻帶內(nèi)（帶內(nèi)）或不同頻帶內(nèi)（帶間）的無線信道組合起來，以提高無線數(shù)據(jù)速率，并降低延遲。LTE-A允許載波單元具有高達20MHz的帶寬，最多支持5個這樣的帶寬，可以組成高達100MHz的帶寬進行聚合。過去，移動網(wǎng)絡運營商還可以使用覆蓋單個20 MHz頻段的系統(tǒng)，但未來必須大幅提升網(wǎng)絡容量，才能支持即將到來的移動流量暴漲。現(xiàn)在的技術需要最高支持20倍的帶寬，來處理這些多頻帶和多載波系統(tǒng)。支持這些先進的調制方案需要面對多方面的問題，目前已經(jīng)開發(fā)出了多個已知的解決方案。有些包括數(shù)字預失真（DPD）以提高線性度，Doherty和包絡跟蹤（ET）技術以獲得更高效率。GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）憑借其固有的高擊穿電壓、高功率密度、大帶寬和高效率，已成為基站PA的有力候選技術。對于約翰遜品質因數(shù)（FoM）（衡量高頻功率晶體管應用的半導體適用性），GaN器件比硅（Si）、砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）和磷化銦（InP）要高出幾個數(shù)量級。相比現(xiàn)有的硅LDMOS和GaAs解決方案，GaN器件能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡所需要的功率和效能。而且，GaN的寬帶性能也是實現(xiàn)多頻帶載波聚合等重要新技術的關鍵因素之一。由于LDMOS無法再支持更高的頻率，GaAs也不再是高功率應用的最優(yōu)方案，預計未來大部分6GHz以下宏網(wǎng)絡單元應用都將采用GaN器件。GaN基站應用

2015~2025年電信基站主要趨勢數(shù)據(jù)來源：《RF GaN市場應用、技術及襯底-2018版》

根據(jù)市場研究機構ABI Research的研究數(shù)字，2014年基站RF功率器件市場規(guī)模為11億美元，其中GaN占比11%，而橫向雙擴散金屬氧化物半導體技術（LDMOS）占比88%。2017年，GaN市場份額預估增長到了25%，并且預計將繼續(xù)保持增長。如下圖所示，蜂窩基站GaN市場占整個RF功率市場的最大份額將超過50%。對于5G基站PA的一些要求可能包括3~6GHz和24GHz~40GHz的運行頻率，RF功率在0.2W~30W之間。憑借其良好的傳播特性，早期的5G網(wǎng)絡可能會采用低于6 GHz的頻段。

GaN預計到2025年將主導RF功率器件市場，搶占基于硅LDMOS技術的基站PA市場如前所述，GaN-on-SiC HEMT是基站PA的主要候選技術，因為它們能夠在比硅 LDMOS晶體管更大的帶寬、更高頻率下，在Doherty配置中實現(xiàn)更高的功率附加效率（PAE）。GaN HEMT技術也可以非常堅固耐用，在高功率負載嚴重不匹配的情況下運行，并且性能降低最小。這種固有的高工作電壓和輸出阻抗帶來了低損耗、寬帶匹配和大輸出功率。此外，其更大的安全運行區(qū)（SAO），可減輕由于功率波動引起的任何熱場或電場擊穿問題，從而最大限度地減少對基站設備的維護需要。GaN MMIC的低噪聲系數(shù)性能結合其高功率密度，使它們成為發(fā)射器鏈中PA基板和接收器鏈中低噪聲放大器（LNA）的潛在理想選擇。

已有幾種現(xiàn)有GaN 低噪聲放大器實施方案能實現(xiàn)低噪聲要求，同時可承受高入射功率而不會造成損壞。GaN毫米波應用毫米波（mmWave）頻譜是實現(xiàn)5G的關鍵；其大量可用帶寬是支持高數(shù)據(jù)速率應用（如4K/8K視頻流）以及增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）應用的有力選擇。小型基站是利用毫米波頻帶的理想選擇，因為它們可以在城市環(huán)境中緊密排布，減輕高頻信號的有損傳播特性。為了實際目的，這些小型基站必須易于安裝在高尺寸、重量以及功率受限的結構上。

有關尺寸問題，事實上隨著晶體管和天線尺寸在更高頻率下的逐漸減小，某種程度上已經(jīng)解決。不過，更小尺寸的組件，通常具有較差的熱管理特性，因為較大的表面積能夠更好地在設備上分散熱量。SiC襯底具有相對較高的熱導率（~120 W/MK），因此可以更容易地將熱從晶體管轉移到散熱器。對于成本較低的小型基站應用，化學氣相沉積（CVD）金剛石（~1800 W/MK）比SiC具有更大的熱導率。GaN PA已經(jīng)用于尖端衛(wèi)星通信中的Ka波段轉發(fā)器。

即將到來的高吞吐量衛(wèi)星（HTS）和低地球軌道（LEO）中小型衛(wèi)星需要外形尺寸更小的元件，以便在功率極其受限的環(huán)境中實現(xiàn)高度集成。該技術可以用于24 GHz以上的5G毫米波段。當前0.2um、0.15um和0.1um的GaN工藝可使截止頻率進入W波段，功率密度約為2W/mm。GaN PA在較低頻率下表現(xiàn)出的高功率密度、寬運行帶寬、良好的PAE和線性度，以及低噪聲性能，在毫米波頻率下也具有相同的性能表現(xiàn)。AlGaN / GaN異質結構特別適用于高頻性能，與基于AlGaAs / GaAs的器件不同，AlGaN / GaN異質結構的大自發(fā)和壓電極化效應，可產(chǎn)生電子通道而不需要任何調制摻雜。GaN用于大規(guī)模MIMO當前的基站技術涉及具有多達8個天線的MIMO配置，以通過簡單的波束形成算法來控制信號，但是大規(guī)模MIMO可能需要利用數(shù)百個天線來實現(xiàn)5G所需要的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。

大規(guī)模MIMO中使用的耗電量大的有源電子掃描陣列（AESA），需要單獨的PA來驅動每個天線元件，這將帶來顯著的尺寸、重量、功率密度和成本（SWaP-C）挑戰(zhàn)。這將始終涉及能夠滿足64個元件和超出MIMO陣列的功率、線性、熱管理和尺寸要求，且在每個發(fā)射/接收（T/R）模塊上偏差最小的射頻PA。由于GaN芯片每年在功率密度和封裝方面都會取得飛躍，到了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在商業(yè)上可行的時候，GaN很可能成為一種自然選擇。結語GaN襯底已經(jīng)在軍用雷達中使用了數(shù)十年，但是這類應用的機密性，在某種程度上阻礙了它在商業(yè)領域的成長和成熟。GaN器件發(fā)源于美國國防部，已經(jīng)廣泛應用于新一代航天和地面雷達系統(tǒng)。GaN的高功率性能提高了雷達的探測距離和分辨率，設計人員對該新技術的應用也已經(jīng)日趨成熟。然而，與軍事相關的技術總是非常敏感。隨著國防應用領域日益青睞GaN器件，非軍事應用領域或將受到影響，尤其是針對該技術的市場并購行為。

如果涉及軍事應用，政府勢必橫加干預，例如FGC Investment Fund對Aixtron的并購，以及英飛凌（Infineon）對Wolfspeed的并購。盡管如此，恰如Yole及其他調研機構的預測，對這種寬帶隙材料的需求正在發(fā)生轉變，這將從根本上消除軍事和集成設備制造商（IDM）對獨立代工廠和設計公司的排他性。此外，蜂窩通信技術及行業(yè)的發(fā)展，為GaN的應用提供了非常有前景的利基市場。商業(yè)領域的這種需求，很可能會推動GaN基器件的制造，并最終降低GaN基器件的批量價格。隨著蜂窩基站利用載波聚合等先進的調制方案和技術，商用GaN PA的早期應用可能會下降。 但在此之后，隨著毫米波應用尤其是大規(guī)模MIMO的興起，GaN的市場前景依然強勁，因為很可能沒有其它候選技術，能夠滿足大規(guī)模有源電子掃描陣列所需的功率密度要求。