“內(nèi)戰(zhàn)”與“外戰(zhàn)”雙線并進(jìn)，GaN漸入佳境

作者：暢秋

在射頻應(yīng)用領(lǐng)域，GaN逐漸落地，且正在向多維度拓展。

在手機(jī)通信系統(tǒng)當(dāng)中，無論是手機(jī)端，還是基站端，射頻（RF）系統(tǒng)的重要性越來越突出，特別是5G的發(fā)展和逐漸普及，對(duì)RF前端的性能、功耗綜合水平的要求更高了。無論是手機(jī)還是基站，RF前端系統(tǒng)當(dāng)中，PA（功率放大器）都是重中之重，隨著5G的普及，傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料和工藝已經(jīng)難以滿足應(yīng)用需求，特別是在基站端，是多種新工藝施展拳腳的絕佳舞臺(tái)。

憑借高功率、高頻工作環(huán)境下的優(yōu)良性能，氮化鎵（GaN）正在快速崛起，特別是在RF應(yīng)用領(lǐng)域，GaN都代表著高功率和高性能應(yīng)用場(chǎng)景的未來，將在很大程度上替代砷化鎵（GaAs）和LDMOS。

Strategy Analytics指出：基站是RF GaN收入的主要來源，且增長(zhǎng)最快。RF GaN器件（主要是PA）在商業(yè)和國(guó)防應(yīng)用中的基本面非常強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)到2025年收入將接近20億美元。

在基站端，傳統(tǒng)LDMOS工藝用的比較多，但是，LDMOS 技術(shù)更適用于低頻段，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。為了適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)性能和功率效率的需求，越來越多地應(yīng)用到了GaN，它能較好地適用于大規(guī)模MIMO。在手機(jī)端，射頻前端PA還是以GaAs工藝為主，目前還看不到GaN的機(jī)會(huì)，主要原因是成本和高電壓特性，這在手機(jī)內(nèi)難以接受。

不過，隨著工藝水平的提升，以及成本的下降，未來，RF GaN應(yīng)用于手機(jī)等便攜式設(shè)備是可以期待的。 由于基站越來越多地用到了多天線MIMO技術(shù)，這對(duì)PA提出了更多需求。預(yù)計(jì)到2022年，4G/ 5G基礎(chǔ)用的射頻半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到16億美元，其中，MIMO PA的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 119%。

相對(duì)于4G，5G基站用到的PA數(shù)會(huì)加倍增長(zhǎng)。4G基站采用4T4R方案，按照三個(gè)扇區(qū)，對(duì)應(yīng)的射頻PA需求量為12個(gè)，5G基站中，預(yù)計(jì)64T64R將成為主流方案，對(duì)應(yīng)的PA需求量高達(dá)192個(gè)。 

GaN PA前景可期

雖然，5G發(fā)展前景可期，但相關(guān)技術(shù)依然未達(dá)到成熟水平，特別是功耗問題，無論是基站，還是手機(jī)，都存在這個(gè)問題。 

特別是基站，目前來看功耗比4G高出不少，而在所有耗電的芯片元器件當(dāng)中，PA是大戶。因?yàn)樯漕l信號(hào)功率很小，只有經(jīng)過PA放大獲得足夠的射頻功率后，才能饋送到天線并發(fā)射出去，因此，PA是基站發(fā)射系統(tǒng)的重要器件。與此同時(shí)，PA也是最耗電、效率較低的器件，有統(tǒng)計(jì)顯示，約一半的基站功率消耗在了PA上。 

基站用PA市場(chǎng)空間巨大，但其性能和功率效率問題亟待解決。在這樣的背景下，新工藝技術(shù)替代傳統(tǒng)工藝早已被提上了議事日程。 GaN具有優(yōu)異的高功率密度和高頻特性。GaAs擁有微波頻率和5V至7V的工作電壓，多年來一直廣泛應(yīng)用于PA。硅基LDMOS技術(shù)的工作電壓為28V，已經(jīng)在電信領(lǐng)域使用了許多年，但其主要在4GHz以下頻率發(fā)揮作用，高頻應(yīng)用較少。相比之下，GaN的工作電壓為28V至50V，具有更高的功率密度和截止頻率，在MIMO應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)高整合性解決方案。

在宏基站PA應(yīng)用中，GaN憑借高頻、高輸出功率的優(yōu)勢(shì)，正在逐漸取代LDMOS；在小基站中，未來一段時(shí)間內(nèi)仍然以GaAs工藝為主，這是因?yàn)樗邆淇煽啃院透咝詢r(jià)比的優(yōu)勢(shì)，但隨著GaN器件成本的降低和技術(shù)的提高，GaN PA有望在小基站應(yīng)用中逐步拓展。

在不久的將來，大部分6GHz以下宏基站應(yīng)用都將采用基于GaN工藝的PA，5G網(wǎng)絡(luò)采用的頻段更高，穿透力與覆蓋范圍將比4G更差，因此，小基站將在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中扮演很重要的角色。不過，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs等現(xiàn)有技術(shù)仍有其優(yōu)勢(shì)。而傳統(tǒng)的LDMOS工藝在基站用PA市場(chǎng)的份額將逐年減少。 

GaN襯底之爭(zhēng)

目前，GaN外延片主要有兩種襯底技術(shù)，分別是GaN-on-Si（硅基氮化鎵）和GaN-on-SiC（碳化硅基氮化鎵）。另外，還有GaN-on-sapphire和GaN-on-GaN，不過這兩種襯底的應(yīng)用市場(chǎng)很有限。

在性能方面，GaN-on-SiC相對(duì)更好，但價(jià)格明顯高于GaN-on-Si。GaN-on-Si生長(zhǎng)速度較快，也較容易擴(kuò)展到8英寸晶圓。雖然GaN-on-Si性能略遜于GaN-on-SiC，但目前工藝水平制造的器件已能達(dá)到 LDMOS 原始功率密度的5-8 倍，在高于2GHz的頻率工作時(shí)，成本與同等性能的LDMOS 相差不大。

GaN-on-SiC結(jié)合了SiC優(yōu)異的導(dǎo)熱性，以及GaN的高功率密度、低損耗能力，與Si相比，SiC是一種非常“耗散”的襯底，此基板上的器件可以在高電壓和高漏極電流下運(yùn)行，結(jié)溫將隨射頻功率而緩慢升高，因此，其射頻性能更好，是射頻應(yīng)用的理想材料。在相同的耗散條件下，SiC器件的可靠性和使用壽命更好。另外，SiC具有高電阻特性：這非常有利于毫米波傳輸，這在設(shè)計(jì)帶有大型匹配電路的高頻MMIC時(shí)很有價(jià)值。但是，SiC襯底仍然限制在4英寸與6英寸晶圓，8英寸的還沒有推廣。 

目前，業(yè)界多數(shù)商用RF GaN器件采用GaN-on-SiC襯底。 SiC獨(dú)特的電子和熱性能使其非常適合高功率和高頻半導(dǎo)體器件,其性能遠(yuǎn)超過Si或GaAs。GaN-on-SiC技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)包括降低開關(guān)損耗、更高的功率密度、更好的散熱和更高的帶寬容量。在系統(tǒng)層面，可以實(shí)現(xiàn)高度緊湊的解決方案，大大提高功率效率，降低成本。 

在射頻應(yīng)用方面，Wolfspeed（Cree）擁有最強(qiáng)的實(shí)力，在射頻應(yīng)用的 GaN HEMT 專利競(jìng)爭(zhēng)中，尤其在GaN-on-SiC技術(shù)方面，該公司處于領(lǐng)先地位。英特爾和MACOM是最活躍的射頻GaN專利申請(qǐng)者，主要聚焦在GaN-on-Si技術(shù)領(lǐng)域。GaN射頻HEMT相關(guān)專利領(lǐng)域的新進(jìn)入者主要是中國(guó)廠商，如HiWafer（海威華芯）、三安集成和華進(jìn)創(chuàng)威。 

GaN-on-Si發(fā)展提速

雖然GaN-on-Si性能略遜于GaN-on-SiC，但硅基技術(shù)與CMOS工藝兼容，使GaN器件與CMOS工藝器件能很好地集成在一塊芯片上。這使得GaN-on-Si成為市場(chǎng)的潛力股，未來有望大量導(dǎo)入5G基站PA。

GaN-on-Si器件具有擊穿電壓高、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(shì)。理論上相同擊穿電壓與導(dǎo)通電阻下的芯片面積僅為Si的千分之一，目前能做到十分之一。

與傳統(tǒng)LDMOS工藝相比，GaN-on-Si的性能優(yōu)勢(shì)很明顯，它可提供超過70%的功率效率，將每單位面積的功率提高了4到6倍，并且可擴(kuò)展至高頻率。

與GaN-on-SiC相比，GaN-on-Si方案最大的優(yōu)勢(shì)就是襯底成本低，器件工藝能量密度高、可靠性高，也更容易向8英寸等大尺寸晶圓轉(zhuǎn)移，以提升成本效益和投入產(chǎn)出比。此外，其與CMOS具有較好的兼容性，可以利用現(xiàn)有硅晶圓代工廠已有的規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模量產(chǎn)和快速上市。而從應(yīng)用發(fā)展角度來看，5G通信對(duì)射頻元器件的需求正在快速增加過程中，需要大批量、低成本的GaN射頻芯片，而這也給GaN-on-Si提供了發(fā)展契機(jī)。

作為挑戰(zhàn)者，GaN-on-Si商用仍在起步階段，有望提供經(jīng)濟(jì)高效和可擴(kuò)展的解決方案，截至2021年第二季度，其市場(chǎng)容量很小，但這種PA憑借高帶寬和小尺寸吸引了智能手機(jī)OEM。隨著關(guān)鍵廠商的技術(shù)進(jìn)步，一些低于6GHz的5G手機(jī)很可能很快采用。

最近，代工廠的進(jìn)入，以及與新興GaN-on-Si功率電子器件產(chǎn)業(yè)的協(xié)同效應(yīng)正在加速其RF應(yīng)用發(fā)展。有統(tǒng)計(jì)顯示，在手持設(shè)備、國(guó)防和5G電信基礎(chǔ)設(shè)施的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)到2026年，GaN-on-Si器件市場(chǎng)復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到86%。

廠商方面，Qorvo、Wolfspeed等傳統(tǒng)大廠都傾向于采用GaN-on-SiC方案，使得該技術(shù)成為了目前市場(chǎng)的主流。但是GaN-on-Si憑借其先天優(yōu)勢(shì)，正在被越來越多的廠商采用。目前來看，MACOM, Ommic、三安光電，英諾賽科等廠商在重點(diǎn)研發(fā)基站用GaN-on-Si射頻和功率芯片（包括Sub-6GHz和毫米波兩大頻段）。特別是MACOM，該公司是GaN-ON-Si工藝的主要倡導(dǎo)者。

5月中旬，意法半導(dǎo)體和MACOM宣布，RF GaN-on-Si原型芯片制造成功。據(jù)悉，意法半導(dǎo)體制造的RF GaN-on-Si原型晶圓和相關(guān)器件已達(dá)到成本和性能目標(biāo)，完全能夠與市場(chǎng)上現(xiàn)有的LDMOS和 GaN-on-SiC技術(shù)展開有效競(jìng)爭(zhēng)?，F(xiàn)在，這些原型即將進(jìn)入認(rèn)證測(cè)試和量產(chǎn)階段，意法半導(dǎo)體計(jì)劃在2022年實(shí)現(xiàn)這一重要目標(biāo)。為此，該公司和MACOM已著手研究如何加大投入力度，以加快RF GaN-on-Si產(chǎn)品上市。 

結(jié)語

相較于SiC在功率器件市場(chǎng)的如魚得水，GaN在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然，GaN在功率應(yīng)用領(lǐng)域同樣有存在感，如近些年十分吸引眼球的、以GaN器件為核心的手機(jī)充電器?？傮w來看，GaN比SiC的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。 根據(jù)不同的襯底選擇，GaN的應(yīng)用會(huì)更加多樣化，GaN-on-SiC基的性能更佳，但成本高昂，主要用于以基站為代表的大功率應(yīng)用場(chǎng)景。

隨著GaN應(yīng)用的普及，特別是向手持式設(shè)備的RF模組滲透，其對(duì)性能的要求沒有GaN-on-SiC那么高，但成本更加敏感，此時(shí)，GaN-on-Si的特點(diǎn)就凸顯出來，其低成本和與CMOS工藝兼容性好的優(yōu)勢(shì)就具有了高權(quán)重，與以往相比，表現(xiàn)出了更廣闊的發(fā)展前景。