5G時代,硅基氮化鎵市場潛力巨大!

2016年，MACOM宣布戰(zhàn)略性放棄SiC基氮化鎵產(chǎn)品，將戰(zhàn)略方向轉(zhuǎn)移至研發(fā)基于硅襯底的高功率氮化鎵(GaN)技術(shù)。3年過去了，MACOM無線產(chǎn)品中心資深總監(jiān)成鋼日前表示，硅基氮化鎵(GaN-on-Si)相比于橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)技術(shù)的性能優(yōu)勢在4G LTE基站中已經(jīng)得到了充分驗證，將是最適合5G無線基礎(chǔ)設(shè)施的實際促進(jìn)技術(shù)。未來十年，氮化鎵市場規(guī)模有望突破10億美元。

MACOM無線產(chǎn)品中心資深總監(jiān)成鋼

硅基氮化鎵的市場潛力

十年來，LDMOS一直是射頻半導(dǎo)體市場的主導(dǎo)技術(shù)。但如今，這種平衡很有可能由于硅基氮化鎵(GaN-on-Si)技術(shù)的出現(xiàn)而被打破。

硅基氮化鎵器件工藝能量密度高、可靠性高，其原始功率密度比當(dāng)前LDMOS技術(shù)的原始功率密度高百分之十。晶圓直徑可以從目前的8英寸提升至12英寸，晶圓長度可以拉長至2米。同時，硅基氮化鎵器件還具有擊穿電壓高、導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度快、零反向恢復(fù)電荷、體積小和能耗低、抗輻射等優(yōu)勢。理論上相同擊穿電壓與導(dǎo)通電阻下的芯片面積僅為硅的千分之一，目前能做到十分之一。

與LDMOS相比，硅基氮化鎵可提供超過70%的功率效率，將每單位面積的功率提高4-6倍，并且可擴(kuò)展至高頻率。這意味著，氮化鎵裸片尺寸將只有LDMOS裸片尺寸的1/6至1/4。同時，綜合測試數(shù)據(jù)已證實，硅基氮化鎵符合嚴(yán)格的可靠性要求，其射頻性能和可靠性可媲美甚至超越昂貴的碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC)替代技術(shù)。

成鋼認(rèn)為，這種高效率優(yōu)勢對于即將商用的5G基站系統(tǒng)來說尤為重要，尤其適用于3D-MIMO天線系統(tǒng)。

眾所周知，由于大規(guī)模MIMO天線配置的密度很大(單個5G基站中可擴(kuò)展超過256個發(fā)射和接收元件)，可用的PCB空間極為珍貴，特別是在較高頻率下。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，目前業(yè)界正在用多功能MMIC取代5G基站設(shè)計中的分立IC和單功能MMIC。

“越來越多的客戶開始傾向于在設(shè)計中采用高集成度射頻前端模塊搭配天線的方式。也就是說，在這樣一個獨立的射頻單元中，會包含發(fā)射/接收通道、無源隔離器、開關(guān)、電源管理IC等多個器件，從而大幅提升效率，降低部署成本。”他說。

采用硅基底的另外一個優(yōu)勢，則是能夠幫助用戶在單芯片上同質(zhì)集成氮化鎵器件和CMOS器件，這為多功能數(shù)字輔助射頻MMIC集成片上數(shù)字控制和校準(zhǔn)以及片上配電網(wǎng)絡(luò)等奠定了基礎(chǔ)。

而在5G小基站的布局方面，隨著國內(nèi)3.5GHz/4.9GHz頻段的提出，小基站要想承擔(dān)起熱點覆蓋的職責(zé)，提高單機發(fā)射功率勢在必行。成鋼表示，對于具備1W以上功率放大器的小基站來說，其峰值功率將達(dá)到10-15瓦，這一數(shù)值對于砷化鎵器件來說已經(jīng)達(dá)到了極致，但對于功率半導(dǎo)體器件而言則完全沒有問題?？紤]到相比傳統(tǒng)蜂窩基站，小基站實現(xiàn)全覆蓋的時間節(jié)點會晚1-3年，所以MACOM的策略是先向用戶提供方案進(jìn)行驗證，時機一旦成熟，便可大規(guī)模量產(chǎn)出貨。

MACOM前進(jìn)到哪里？

在MACOM的產(chǎn)品路線圖上，硅基氮化鎵產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到第四代。例如全新的MAMG-100227-010 PA模塊利用MACOM的高性能硅基氮化鎵實現(xiàn)225-2600 MHz極寬頻帶、10W連續(xù)波輸出功率、高達(dá)40%的典型功率附加效率(PAE)、22dB典型功率增益，以及高達(dá)36V的工作電壓(典型值28V)。采用帶有集成鍍金銅散熱器的14x18mm緊湊型氣穴層壓封裝，可以避免PA架構(gòu)不匹配的情況，因此無需額外的組件和PCB空間。此外，其頂端和底端安裝可配置性有助于提升PA模塊的安裝靈活性和散熱敏捷性。

成鋼說，就半導(dǎo)體器件層面而言，第四代硅基氮化鎵(Gen4 GaN)的定位非常明確，就是要作為LDMOS的替代者來服務(wù)于5G基站的部署，尤其是對于3.5GHz及以上頻率。如果加以適當(dāng)利用，它與LDMOS器件之間的頻效差量能夠在系統(tǒng)層面上對商業(yè)5G應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響，特別是對于多封裝層需要專門解決高溫問題的解決方案更是如此。

此外，基于氮化鎵的功放與基于LDMOS的器件相比，支持的帶寬更寬，因而減少了覆蓋5G基站內(nèi)主要手機頻段所需的部件數(shù)量。運營商可借助第四代氮化鎵技術(shù)實現(xiàn)高帶寬和高頻率，進(jìn)而能夠靈活地實現(xiàn)更廣泛的載波聚合頻帶。

按照MACOM方面的估算，未來，5G基站的部署規(guī)模會是當(dāng)前4G基站的1.5-2倍，單基站射頻通道數(shù)量也會由當(dāng)前的4/8通道上升至64通道以上，在這種倍乘關(guān)系下，射頻器件的需求量將會達(dá)到目前的60倍以上。因此，能否在出貨量方面趕上當(dāng)前仍然占據(jù)優(yōu)勢的LDMOS器件，是硅基氮化鎵面臨的挑戰(zhàn)之一。

為此，2018年2月，MACOM與ST就硅基氮化鎵晶圓的開發(fā)達(dá)成一項協(xié)議，即由ST負(fù)責(zé)生產(chǎn)，供MACOM在各種射頻應(yīng)用中使用。在擴(kuò)大MACOM供應(yīng)來源的同時，該協(xié)議還賦予ST針對手機、無線基站和相關(guān)商業(yè)電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用以外的射頻市場生產(chǎn)及銷售其自己的硅基氮化鎵產(chǎn)品的權(quán)利。

通過這項協(xié)議，MACOM有望提高硅晶圓生產(chǎn)能力、改進(jìn)成本結(jié)構(gòu)以取代現(xiàn)有的硅LDMOS技術(shù)，還可加速硅基氮化鎵在主流市場的普及。ST和MACOM已合作多年，一直在ST的CMOS晶圓廠生產(chǎn)硅基氮化鎵。按照目前的計劃，ST的樣片生產(chǎn)已經(jīng)于2018年開始。

除基站外，MACOM還準(zhǔn)備將硅基氮化鎵產(chǎn)品推向微波爐、咖啡加熱機、汽車點火器、射頻照明(RF lighting)等射頻能量(RF Energy)市場。例如在微波爐中取代磁控管，MACOM目前已經(jīng)可以利用該芯片提供300瓦的連續(xù)功率輸出，并使得加熱部分做到信用卡大小。成鋼表示。此外，在汽車點火器中，采用硅基氮化鎵替代其中的LDMOS，將可以節(jié)約15%的能量；在醫(yī)學(xué)中利用微波進(jìn)行手術(shù)，可對患者腫瘤進(jìn)行精準(zhǔn)的射頻消融。