日前，由 EETOP 聯(lián)合 KEYSIGHT 共同舉辦的“2020 中國(guó)半導(dǎo)體芯動(dòng)力高峰論壇”隆重舉行。Qorvo 無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施部門(mén)高級(jí)應(yīng)用工程師周鵬飛也受邀參與了這次盛會(huì)，并發(fā)表了題為《實(shí)現(xiàn) 5G 的關(guān)鍵技術(shù)—— GaN》的演講。

首先，周鵬飛給我們介紹了無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。他表示，每一代移動(dòng)通信的發(fā)展大約都會(huì)經(jīng)歷 10 年左右的發(fā)展周期。而今年是 5G 元年，我們也能正式進(jìn)入了 5G 時(shí)代。

“與 4G 相比，5G 頻率比較高，因此為了實(shí)現(xiàn)相同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋， 5G 基站的數(shù)量需要達(dá)到 4G 的三到五倍。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：在去年，僅在國(guó)內(nèi)就部署了 17 萬(wàn)個(gè) 5G 宏基站，今年預(yù)計(jì)部署約 60 萬(wàn)個(gè)基站”，周鵬飛說(shuō)。

根據(jù)應(yīng)用需求，5G 基站不僅要滿(mǎn)足高速率、大容量、廣覆蓋、低延時(shí)等要求，同時(shí)還要滿(mǎn)足低功耗，低成本等要求，這就讓5G 基站不得不面對(duì)功耗，覆蓋，成本以及殺手級(jí)應(yīng)用市場(chǎng)在短期內(nèi)還難以解決等難題。

為了解決上述問(wèn)題，就給相關(guān)射頻器件帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

周鵬飛表示，氮化鎵是 5G 時(shí)代的一個(gè)理想半導(dǎo)體材料。但這并非意味著完全替代第一代和第二代半導(dǎo)體工藝。

在他看來(lái)，基帶處理芯片依舊會(huì)以 CMOS 為主導(dǎo)，小功率芯片還會(huì)采用 GaAs 工藝，這些工藝不僅成熟，而且成本低，完全可以滿(mǎn)足基站系統(tǒng)中基帶和小信號(hào)部分的要求。

“但作為末級(jí)功放，不僅影響著覆蓋范圍，同時(shí)也與整機(jī)系統(tǒng)效率緊密相關(guān)。隨著 EIRP 的提高，GaN 與其它工藝相比，具有先天的一些優(yōu)勢(shì)：比如高功率密度，高效率和大帶寬等優(yōu)勢(shì)?！敝荠i飛接著說(shuō)。

“如下圖所示，與其他材料相比，在相同的 EIRP 的情況下，GaN在功耗，系統(tǒng)成本甚至設(shè)計(jì)復(fù)雜度等方面都有著其他材料無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)”，周鵬飛說(shuō)。

“高功率密度是 GaN 最大的優(yōu)勢(shì)，所以開(kāi)發(fā)者能基于此在比較小的尺寸上開(kāi)發(fā)出更高功率的器件”，周鵬飛進(jìn)一步指出。

“在 Sub-6Ghz 頻段，PA 還是獨(dú)立在 FEM 之外，但到了毫米波頻段，有可能需要把 PA、LNA 和 Switch 等器件都集成到一個(gè) FEM 里面，這種高集成度的 FEM 需要 MMIC 方案才能實(shí)現(xiàn)，GaN 材料可以實(shí)現(xiàn)更小尺寸，更大功率的 PA，更低噪聲的 LNA，更小插損的 Switch, 所以針對(duì)毫米波頻段，用氮化鎵來(lái)開(kāi)發(fā) FEM 就非常適用”，周鵬飛表示。

他進(jìn)一步指出，從 4G 走向 5G，GaN PA 將完全取代 LDMOS 器件，這是因?yàn)槠鋼碛懈咝?、高功率、高?dǎo)熱系數(shù)和大帶寬等優(yōu)勢(shì)，非常適合 5G 的應(yīng)用。但與此同時(shí)，有人指出，與 LDMOS 相比，單顆氮化鎵器件的成本相對(duì)較高。

針對(duì)這個(gè)觀點(diǎn)，周鵬飛在演講中指出，在 5G 應(yīng)用上，氮化鎵和 LDMOS 器件的成本相差不遠(yuǎn)，因?yàn)檫@些器件的最大成本不是在 die 上，而是在管殼上。他表示，目前在 Massive MIMO 上應(yīng)用的 GaN PA，由于單通道的功率并不高，基本都采用了低成本的塑封，所以成本不會(huì)太高。

“隨著 5G 海量出貨，以及后續(xù) wafer 技術(shù)更新為 6 英寸，成本將會(huì)進(jìn)一步降低”，周鵬飛接著說(shuō)。

從襯底方面看，當(dāng)前主流的氮化鎵襯底有硅襯底和 SiC 襯底兩種方案，目前大部分廠商都是使用 SiC 襯底的氮化鎵。在周鵬飛看來(lái)，這兩種不同襯底氮化鎵的最大區(qū)別在于“熱”，熱耗是最難處理的問(wèn)題之一。

從下圖我們也可以看到，GaN on SiC 比 GaN on Si 有熱、溝道溫度和壽命方面的優(yōu)勢(shì)。

從氮化鎵材料本身特性來(lái)看，氮化鎵的器件也有和其他”競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手”所不具備的優(yōu)勢(shì)，具體如下圖所示。

GaN on SiC 的優(yōu)勢(shì)也能從下圖中一覽無(wú)遺。其高帶寬、高效和高功率特性可以幫助客戶(hù)做出更小尺寸的器件，進(jìn)而幫助打造更小、更簡(jiǎn)單、更輕，且成本更低的系統(tǒng)。

“得益于各個(gè)國(guó)家和地區(qū)對(duì) 5G 的布局，5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施在未來(lái)幾年將會(huì)獲得快速的增長(zhǎng)，這就給相關(guān)的射頻器件供應(yīng)商帶來(lái)了機(jī)遇”，周鵬飛說(shuō)。

作為業(yè)界領(lǐng)先的射頻供應(yīng)商，Qorvo 在氮化鎵技術(shù)方面有深厚的積累。這些不同的工藝有不同的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也被應(yīng)用到不同的場(chǎng)景當(dāng)中。

“如 QGaN15 是瞄準(zhǔn)高帶寬的微波和Ka波段的產(chǎn)品，QGaN25 則聚焦在 X 和 Ku 波段，QGaN25HV 則盯著 L 和 S 波段的產(chǎn)品，QGaN50 生產(chǎn)的產(chǎn)品則更適用于 UHF 和 C 波段的頻率”，周鵬飛說(shuō)。

“Qorvo 氮化鎵器件的 MTTF 在 200C 的情況下，可以達(dá)到 10 的七次方小時(shí)，足以說(shuō)明 Qorvo 氮化鎵器件在可靠性方面的優(yōu)勢(shì)”，周鵬飛進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)。

據(jù)周鵬飛介紹，除了氮化鎵以外，Qorvo 還擁有 GaAs、SOI，BAW, SAW 和 RF CMOS 等多種其他制程方面技術(shù)，公司同時(shí)在封測(cè)和規(guī)模效應(yīng)方面也有領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)，這讓其成為了全球領(lǐng)先的氮化鎵射頻器件供應(yīng)商。

得益于這些技術(shù)積累，Qorvo面向 Sub-6Ghz 領(lǐng)域提供了極具競(jìng)爭(zhēng)力的射頻前端方案。

針對(duì)末級(jí) GaN PA，Qorvo 更是提供了 Discrete 和 DPAM 等多樣化的方案，以供客戶(hù)選擇。

責(zé)任編輯：YYX