5G高頻特性將使GaN技術(shù)使用領(lǐng)域延伸

相較目前主流的硅晶圓（Si），第三代半導(dǎo)體材料SiC與GaN（氮化鎵）具備耐高電壓特色，并有耐高溫與適合在高頻環(huán)境下優(yōu)勢(shì)，其可使芯片面積大幅減少，并簡(jiǎn)化周邊電路設(shè)計(jì)，達(dá)成減少模塊、系統(tǒng)周邊零組件及冷卻系統(tǒng)體積目標(biāo)，GaN應(yīng)用范圍包括射頻、半導(dǎo)體照明、激光器等領(lǐng)域。

現(xiàn)行GaN功率元件以GaN-on-SiC及GaN-on-Si兩種晶圓進(jìn)行制造，其中GaN-on-SiC強(qiáng)調(diào)適合應(yīng)用在高溫、高頻的操作環(huán)境，因此在散熱性能上具優(yōu)勢(shì)，其以5G基地臺(tái)應(yīng)用最多，預(yù)期SiC基板未來(lái)在5G商用帶動(dòng)下，具有龐大市場(chǎng)商機(jī)。

5G高頻特性，使GaN技術(shù)有伸展空間

目前基地臺(tái)用功率放大器（Power Amplifier，PA）主要為基于硅的橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，LDMOS）技術(shù)，不過(guò)LDMOS技術(shù)僅適用于低頻段，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。

由于LDMOS功率放大器的頻寬會(huì)隨著頻率增加而大幅減少，運(yùn)用于3.5GHz頻段的LDMOS制程已接近限制，性能開(kāi)始出現(xiàn)下滑，在考慮5G商用頻段朝更高頻段發(fā)展下，過(guò)去LDMOS將逐漸難以符合性能要求，因此第三代半導(dǎo)體材料GaN技術(shù)崛起；由于GaN技術(shù)支援更高資料容量之多資料傳輸，同時(shí)搭配5G高速網(wǎng)絡(luò)，不論在頻寬、性能、容量、成本間可做出最佳成效。

換言之，GaN優(yōu)勢(shì)在于更高功率密度及更高截止頻率（Cutoff Frequency，輸出訊號(hào)功率超出或低于傳導(dǎo)頻率時(shí)輸出訊號(hào)功率的頻率），尤其在5G多輸入多輸出（Massive MIMO）應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)高整合性解決方案，例如模塊化射頻前端元件，以毫米波（Millimeter Wave，mmWave）應(yīng)用為例，GaN高功率密度特性可有效減少收發(fā)通道數(shù)及尺寸，實(shí)現(xiàn)高性能目標(biāo)，然短期LDMOS會(huì)與GaN共存，主要原因在于低頻應(yīng)用仍會(huì)采用LDMOS，例如2GHz以下應(yīng)用領(lǐng)域。

5G基地臺(tái)的功率放大器將以砷化鎵與GaN制程為主

從Qorvo產(chǎn)品應(yīng)用來(lái)看，采用GaN技術(shù)將天線(xiàn)陣列功耗降低40%，透過(guò)整合式多通道模塊、3～6GHz及28/39GHz頻段在射頻前端產(chǎn)品的布局，更加強(qiáng)調(diào)高性能、低功耗、高整合度、高易用性等目標(biāo)達(dá)成。

其中GaN可達(dá)LDMOS原始功率密度4倍，每單位面積功率提高4～6倍，即在相同發(fā)射功率規(guī)格下，GaN裸片尺寸為L(zhǎng)DMOS裸片尺寸的1/6～1/4。由于GaN具有更高功率密度特性，能實(shí)現(xiàn)更小元件封裝，滿(mǎn)足Massive MIMO和主動(dòng)天線(xiàn)單元（Active Antenna Unit，AAU）技術(shù)下射頻前端高度整合需求。

目前GaN運(yùn)用以5G基礎(chǔ)設(shè)施（如基地臺(tái)）為主，手機(jī)較難采用GaN技術(shù)，主要挑戰(zhàn)包括：（1）GaN成本高；（2）GaN供電電壓高；較不符合手機(jī)需求，不過(guò)若未來(lái)透過(guò)改進(jìn)GaN射頻元件特性，仍有可能應(yīng)用于手機(jī)，例如加入新的絕緣介質(zhì)與溝道材料，使其適應(yīng)低電壓工作環(huán)境。無(wú)論如何，GaN已成為高頻、大功耗應(yīng)用技術(shù)首選，包括需高功率水平的傳輸訊號(hào)或長(zhǎng)距離應(yīng)用，例如基地臺(tái)收發(fā)器、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等。