關(guān)于PA主流技術(shù)--GaN的性能分析和應(yīng)用

如今，電子業(yè)正邁向4G的終點(diǎn)、5G的起點(diǎn)。 后者發(fā)展上仍有不少進(jìn)步空間，但可以確定，新一代無線電網(wǎng)絡(luò)勢(shì)必需要更多組件、更高頻率做支撐，可望為芯片商帶龐大商機(jī)--特別是對(duì)RF功率半導(dǎo)體供貨商而言。 對(duì)此，市研機(jī)構(gòu)Yole于7月發(fā)布「2017年RF功率市場(chǎng)與科技報(bào)告」指出，RF功率市場(chǎng)近期可望由衰轉(zhuǎn)盛，并以將近二位數(shù)的年復(fù)合成長(zhǎng)率(GAGR)迅速成長(zhǎng)；同時(shí)，氮化鎵(GaN)將逐漸取代橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)，成為市場(chǎng)主流技術(shù)。

拜電信基站升級(jí)、小型基地臺(tái)逐漸普及所賜，RF功率市場(chǎng)可望脫離2015年以來的低潮，開始蓬勃發(fā)展--報(bào)告指出，整體市場(chǎng)營(yíng)收到2022年底則有望暴增75%之多，2016~2022年間CAGR將達(dá)9.8%；其中，占電信基礎(chǔ)設(shè)施近一半比重的基站、無線回程網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)組件，同一時(shí)段CAGR各為12.5%、5.3%。 再者，鑒于效能較高、體積較小且穩(wěn)定性較佳，砷化鎵(GaAs)、GaN等固態(tài)技術(shù)將在國(guó)防應(yīng)用上逐漸取代真空管，提供RF功率組件更多發(fā)展機(jī)會(huì)。 Yole預(yù)期，此部分營(yíng)收至2022年將成長(zhǎng)20%，2016~2022年間CAGR達(dá)4.3%。

技術(shù)方面，受與日俱增的信息流量、更高操作頻率與帶寬等需求驅(qū)使，GaN組件使用越來越普遍，正于電信大型基站、雷達(dá)/航空用真空管與其它寬帶應(yīng)用上取代LDMOS組件，現(xiàn)已占據(jù)整體20%營(yíng)收以上。 針對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，Yole表示，GaN之于載波聚合(CA)、多輸入多輸出(MIMO)等新科技，效能與帶寬上雙雙較LDMOS具優(yōu)勢(shì)。 此外，得力于在行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)發(fā)展得當(dāng)，GaAs技術(shù)已成熟到能進(jìn)入市場(chǎng)，可望在國(guó)防、有線電視等應(yīng)用上穩(wěn)占一席之地。

此報(bào)告估計(jì)，GaN將于未來5~10年成為3W以上RF功率應(yīng)用的主流技術(shù)，GaAs基于其穩(wěn)定性與不錯(cuò)的性價(jià)比，也得以維持一定比重；至于LDMOS部分則將繼續(xù)衰退，市場(chǎng)規(guī)模跌至整體15%，然考慮到其高成熟性與低成本等，短期內(nèi)在RF功率市場(chǎng)仍不至面臨淘汰。

絡(luò)達(dá)科技技術(shù)長(zhǎng)林珩之表示，5G基地臺(tái)的功率放大器將會(huì)以砷化鎵與氮化鎵制程為主，因其是功率主導(dǎo)(Power Handle)，并以表現(xiàn)度為主要衡量指針。 但這樣的制程需更多的校準(zhǔn)(Calibration)程序，成本會(huì)比較高。 不過，基地臺(tái)的整體數(shù)量相較于手機(jī)應(yīng)用是比較少的，因此即便其成本略高，仍在客戶能接受的范圍內(nèi)。

林珩之指出，功率主導(dǎo)的特性，更將促使氮化鎵比砷化鎵來得更有優(yōu)勢(shì)，因頻率更高，往往得靠氮化鎵才有辦法做到。 到了5G時(shí)代，氮化鎵將很有機(jī)會(huì)取代橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(Lateral Diffused MOS, LDMOS)。

而在手機(jī)功率放大器部分，目前2G是以互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制程為主，3G、4G則是砷化鎵制程，5G因?yàn)楦哳l的關(guān)系，絡(luò)達(dá)十分看好氮化鎵制程，該技術(shù)同時(shí)還能讓電壓撐得更久。

林珩之分析，未來5G時(shí)代，手機(jī)功率放大器采用的半導(dǎo)體制程，預(yù)估將會(huì)是砷化鎵/氮化鎵占一半、CMOS占一半。 小于6GHz頻段的半導(dǎo)體技術(shù)，會(huì)是以砷化鎵與氮化鎵制程為主，因天線與電磁波的波長(zhǎng)是成正比的，且高頻的天線比較大，也就須采用高功率的技術(shù)來達(dá)成，因此很有機(jī)會(huì)變成砷化鎵與氮化鎵制程的天下。

林珩之進(jìn)一步指出，氮化鎵制程有辦法支撐很高的功率，這是CMOS無法做到的。 除非5G技術(shù)有辦法運(yùn)用小功率在空中進(jìn)行融合，CMOS制程才會(huì)有機(jī)會(huì)涵蓋到這部分的市場(chǎng)。 但在5G mmWave頻段，則會(huì)是以CMOS制程為主。 林珩之進(jìn)一步表示，因mmWave頻段采用的天線比較小，就會(huì)是以CMOS制程為主，像是CPU、GPU、ASIC等，該制程與化合物半導(dǎo)體很不相同，價(jià)格會(huì)比砷化鎵/氮化鎵制程來得低。

此外，CMOS制程的應(yīng)用領(lǐng)域也比較寬廣，目前在交換器(Switch)上便使用得相當(dāng)廣泛，而采用氮化鎵制程的交換器就比較難做，因其是屬于雙極性接面型晶體管(Bipolar Junction Transistor, BJT)。 物聯(lián)網(wǎng)這類以價(jià)格為主要驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，由于對(duì)功率的要求比較低，也會(huì)是CMOS制程所能發(fā)揮的地方。

GaN 在射頻應(yīng)用中脫穎而出的三大原因

鎵 (Ga) 是一種化學(xué)元素，原子序數(shù)為 31。鎵在自然界中不存在游離態(tài)，而是鋅和鋁生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品。

GaN 化合物由鎵原子和氮原子排列構(gòu)成，最常見的是纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)（如下圖所示）呈六方形，通過兩個(gè)晶格常數(shù)（圖中標(biāo)記為 a 和 c）來表征。

GaN 晶體結(jié)構(gòu)

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，GaN 通常是高溫下（約為 1,100°C）在異質(zhì)基板（射頻應(yīng)用中為碳化硅 [SiC]，電源電子應(yīng)用中為硅 [Si]）上通過金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積 (MOCVD) 或分子束外延 (MBE) 技術(shù)而制成。

GaN-on-SiC 方法結(jié)合了 GaN 的高功率密度功能與 SiC 出色的導(dǎo)熱性和低射頻損耗。這就是 GaN-on-SiC 成為高功率密度射頻應(yīng)用合并選擇的原因所在。如今，GaN-on-SiC 基板的直徑可達(dá) 6 英寸。

GaN-on-Si 合并的熱學(xué)性能則低得多，并且具有較高的射頻損耗，但成本也低很多。這就是 GaN-on-Si 成為價(jià)格敏感型電源電子應(yīng)用合并選擇的原因所在。如今，GaN-on-Si 基板的直徑可達(dá) 12 英寸。

那么，為何 GaN 在射頻應(yīng)用中優(yōu)于其他半導(dǎo)體呢？

相比 Si 和 GaAs 等其他半導(dǎo)體，GaN 是一種相對(duì)較新的技術(shù)，但它已然成為某些高射頻、大功耗應(yīng)用的技術(shù)之選，比如需要長(zhǎng)距離或以高端功率水平傳輸信號(hào)的應(yīng)用（如雷達(dá)、基站收發(fā)器 [BTS]、衛(wèi)星通信、電子戰(zhàn) [EW] 等）。

GaN-on-SiC在射頻應(yīng)用中脫穎而出，原因如下：

高擊穿電場(chǎng)：由于 GaN 的帶隙較大，GaN 具有較高的擊穿電場(chǎng)，這使得 GaN 設(shè)備的工作電壓可遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他半導(dǎo)體設(shè)備。當(dāng)受到足夠高的電場(chǎng)作用時(shí),半導(dǎo)體中的電子能夠獲得足夠動(dòng)能來打破化學(xué)鍵（這一過程被稱為碰撞電離或電壓擊穿）。如果碰撞電離未得到控制，則可能會(huì)降低器件性能。由于 GaN 器件可以在較高電壓下工作，因此可用于較高功率的應(yīng)用。

高飽和速度：GaN 上的電子具有很高的飽和速度（在極高電場(chǎng)下的電子速度）。當(dāng)結(jié)合大電荷能力時(shí)，這意味著 GaN 器件能夠提供高得多的電流密度。

射頻功率輸出是電壓與電流擺幅的乘積，所以，電壓越高，電流密度越大，則實(shí)際尺寸的晶體管中產(chǎn)生的射頻功率就越大。簡(jiǎn)言之，GaN 器件產(chǎn)生的功率密度要高得多。

出色的熱屬性：GaN-on-SiC 器件表現(xiàn)出不同一般的熱屬性，這主要因?yàn)?SiC 的高導(dǎo)熱性。具體而言，這意味著在消耗功率相同的情況下，GaN-on-SiC 器件的溫度不會(huì)變得像 GaAs 器件或 Si 器件那樣高。器件溫度越低才越可靠。

廠商相機(jī)而動(dòng)，Qorvo恐成最大贏家

伴隨RF功率組件發(fā)展趨勢(shì)日漸明朗，各家大廠開始有所動(dòng)作、搶爭(zhēng)新世代科技的主導(dǎo)權(quán)：主流LDMOS供貨商包括恩智浦(NXP)、安譜隆(Ampleon)、英飛凌(Infineon)等，正嘗試透過外部代工獲取GaN技術(shù)；傳統(tǒng)GaAs廠商亦紛紛開始著重投資在此，少部分已成功將產(chǎn)能轉(zhuǎn)進(jìn)GaN、在市場(chǎng)拔得頭籌；至于純GaN供貨商如科銳(Cree )旗下之Wolfspeed，一方面為L(zhǎng)DMOS大廠供應(yīng)相關(guān)組件、壯大市場(chǎng)，一方面則努力確保自身在GaN技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)先地位。

據(jù)Yole指出，待GaN組件成為主流，掌握GaN市場(chǎng)的廠商將取代LDMOS主力廠商，成為RF功率市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者--現(xiàn)階段除Wolfspeed，該領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)廠商幾乎都是由GaAs廠商轉(zhuǎn)進(jìn)。 就近期包括Infineon收購(gòu)Wolfspeed受阻于美國(guó)政府、和康電訊(M/A-COM)與Infineon間的訴訟等相關(guān)事件來看，該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)似乎也日趨白熱化。而在背后還隱藏著一哥射頻大玩家——Qorvo。

作為射頻領(lǐng)域的專家，Qorvo 預(yù)測(cè)， 8GHz 以下砷化鎵仍是主流， 8GHz 以上氮化鎵替代趨勢(shì)明顯。砷化 鎵作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，可承受更高工作電壓，意味著其功率密度及可工作溫度更高，因而具有高功率密度、能耗低、適合高頻率、支持寬帶寬等特點(diǎn)，包括Qorvo在內(nèi)的幾個(gè)業(yè)界先驅(qū)已經(jīng)在GaN上投入了巨額資金研究。

GaAs、 Si-LDMOS、 GaN 方案面積對(duì)比（source：Qorvo）

Qorvo表示，由于GaN具有高功率密度、寬頻性能、高功率處理、輸入功率穩(wěn)定、減少零件尺寸和數(shù)量等特點(diǎn)，讓其受到功率放大器和無線基礎(chǔ)設(shè)施等市場(chǎng)的青睞。

據(jù)測(cè)試顯示，GaN可以在一個(gè)微小的面積上發(fā)射很大的功率，且單位面積上收到的熱度是GaAsDE 的十倍以上，因非常適合于5G正在追逐的毫米波頻段。

我們需要清楚一點(diǎn)，GaN器件并不是一種新東西，它其實(shí)一早就被應(yīng)用到軍事雷達(dá)和有線電視等相關(guān)設(shè)施。但受限于成本問題，過去才一直沒有被推廣到民用領(lǐng)域。但在經(jīng)過了Qorvo和Macom這些企業(yè)的努力，GaN材料的成本和制造成本開始下降。

如Qorvo早前宣布將其重心轉(zhuǎn)移到6英寸SiC基GaN上，這些都有效的提高了其成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。不過我們也要看到，其帶來的功耗問題，也需要廠商去解決。

Qorvo無線基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品部總經(jīng)理Sumit Tomar認(rèn)為，LDMOS器件物理上已經(jīng)遇到極限，這就是氮化鎵器件進(jìn)入市場(chǎng)的原因。而基站應(yīng)用需要更高的峰值功率、更寬的帶寬以及更高的頻率，這些因素都促成了基站接受氮化鎵器件。但是GaN在進(jìn)入手機(jī)的過程中，碰到了一些阻礙。Qorvo方面表示，氮化鎵器件工作在低電壓環(huán)境、必須設(shè)計(jì)新封裝形式以滿足散熱要求和成本太高是制約GaN器件走向手機(jī)的關(guān)鍵。