蘇州企業聯合高校共同推進功率放大器晶片，打好國家毫米波「組合拳」

與非網月 9 日 10 訊，日前，由蘇州能訊高能半導體公司、東南大學等單位共同參與的項目「氮化鎵中高頻晶片設計及製備工藝關鍵技術研究」，入選省重點研發計劃項目。

以企業需求為主導，依託東南大學信息科學與工程學院毫米波國家重點實驗室的技術支撐，該項目以突破「毫米波功率放大器」晶片設計和工藝為目標，提升效率、拓展帶寬，為推動5G 毫米波大規模商業化起到關鍵作用。

據報導，項目負責人之一、東南大學信息科學與工程學院張雷副教授介紹，這一「功率放大器晶片」有兩大關鍵指標：提升效率、展寬帶寬，研發團隊從電路和工藝設計兩方面突破。在電路結構設計方面，通過研究等效柵寬技術、三路電路架構和等效四分之一波長線，提升 「功率放大器晶片」的效率、提高集成度、展寬工作帶寬。

比起 4G，5G 具有高速率、大容量等特點，但收發信號的基站陣列也更密集，確保信號傳輸高效、低延時，是 5G 通信系統穩定運行的關鍵。「這就需要基站的功率放大器具有更高的效率、更高集成度。」東南大學信息科學與工程學院教授朱曉維告訴記者，在 3G、4G 通信系統中，由於信號的波長是釐米級，電路的尺寸較大，功率密度相應較低，電路設計和製備工藝容易實現；然而，在毫米波下的 5G 世界，由於信號的波長已經縮小至毫米級，電參數敏感度和功率密度都大大增加，不僅需要晶片集成度提高一個數量級以上，還需要採用第三代半導體氮化鎵工藝及毫米波電路技術，提高功率放大器晶片的工作效率和工作帶寬，輸出大功率的寬帶毫米波信號。

從釐米級到毫米級，毫釐之間，有待實現的卻是巨大的技術飛躍，需要在「晶片」上「起舞」。一方面為適應「5G 毫米波」發展，要求功率放大器具有高效率和高集成度；另一方面，放眼全球，毫米波功率放大器晶片化設計確實已在近兩三年內成為趨勢，這是個技術「分水嶺」，我國科學家必須眼觀大局不掉隊。最先敏銳感知這一技術趨勢的是企業端，蘇州能訊高能半導體公司提出技術合作的需求，東大「接單」，依託毫米波國家重點實驗室專家資源，精準攻關、自主開發 0.15um 工藝的氮化鎵毫米波功率放大器晶片。

項目負責人之一、東南大學信息科學與工程學院副教授張雷介紹，這一「功率放大器晶片」有兩大關鍵指標：提升效率、展寬帶寬，研發團隊從電路和工藝設計兩方面突破。

在電路結構設計方面，通過研究等效柵寬技術、三路電路架構和等效四分之一波長線，提升「功率放大器晶片」的效率、提高集成度、展寬工作帶寬。然而實現這一技術藍圖並非易事，0.15um 氮化鎵製備工藝要求極高，就如同針尖上「繡花」，稍有偏差就會影響功率放大器晶片性能指標，蘇州能訊高能半導體公司發揚「工匠」精神，正在進行 0.15um 氮化鎵工藝線的開發，完成後將投入毫米波功率放大器流片，推動 5G 毫米波進入商業化階段。

通過採訪，記者深深感受到打通創新鏈，還是要堅持企業是主體，提升企業創新的能力和意願，以利於催生新的創新試驗場。此外，支持國家重點實驗室等重大平臺載體，也將為產學研深度融合提供有力技術支撐，為區域創新積蓄持續動力，兩者協同，能打出漂亮的「組合拳」，為新技術市場化贏得時間。近年來毫米波國家重點實驗室牽頭承擔完成了國家 973 項目、國家重大專項課題、國家自然科學基金委創新群體科學研究基金（一期、二期）、國家 863 項目等國家重大項目，曾獲國家自然科學獎、國家科技進步獎、省部科技進步獎等幾十項科研獎勵。當前，為解決國家重大需求、企業創新發展需求，實驗室正瞄準 5G 大規模陣列、毫米波多通道電路晶片、汽車雷達等方向大力攻關。

蘇州能訊高能半導體公司目前正在進行 0.15um 氮化鎵工藝線的開發，完成後將投入毫米波功率放大器流片，推動 5G 毫米波進入商業化階段。

此前，蘇州能訊高能半導體有限公司董事總經理任勉表示：氮化鎵產品類型和對應的市場不斷發生變化，5G 和高頻應用讓氮化鎵大有用武之地。3.5GHz 是一個分水嶺，3.5GHz 及以上頻率，氮化鎵工藝有全面的優勢，無論是帶寬、線性度、增益還是效率，矽器件都無法與氮化鎵競爭。

氮化鎵可以減小 Massive MIMO 基站的體積，氮化鎵的功率密度比當前 LDMOS 技術高 20 多倍，每單位面積可將功率提高 7 到 10 倍；氮化鎵裸片尺寸為 LDMOS 裸片尺寸的 1/7 至 1/10，寄生電容大幅減少，可以更好地發揮射頻特性；氮化鎵具有更高功率密度特性，能夠實現更小器件封裝，因而非常適用於 Massive MIMO 天線系統；氮化鎵的大帶寬特性能夠使得單個氮化鎵射頻功率器件替代 LDMOS 器件組合，使基站的體積不斷減小，成本不斷下降。

氮化鎵非常適合於製造 5G 和毫米波射頻前端系統，如大帶寬和高效率功率放大器（PA）、大功率大帶寬開關（RF SWITCH）、低噪聲高功率壓控振蕩器（VCO）、高可靠大帶寬低噪聲放大器（LNA）。GaN 高頻晶片相比低頻晶片，還有一些技術難題需要突破：首先，高頻條件下，缺陷的釋放時間要求更加嚴格，因此晶片的效率顯著下降；其次，高頻條件下寄生電容和電阻的影響增加，因此縮小柵長不能有效提升增益；再次，高頻器件有嚴重的短溝道效應，影響功率增益和效率；最後，亞微米柵會增加柵極邊緣電場，造成更高的漏電，降低擊穿電壓並引入可靠性問題。

上述 4 個問題，涉及器件本身加工，同時也涉及 PDK、建模以及與上遊其他相關方合作，若解決這些問題，需要業內同行加大投入，齊心協力做好氮化鎵產業。

有成熟的技術、尖端的人才，再加上資本的青睞，「能訊」加速駛入創新發展快車道。而今，「能訊」已開始出貨給通信設備廠商，5G 設備換代將是衝擊世界品牌的最好機會。「深耕半導體產業，『能訊』不是新手，如果沒有多年的技術積累，就達不到現有創新水準。」張乃千表示，「面對 5G 發展機遇，要堅定信念、搶抓機遇，『能訊』以領跑者的姿態去創新，在射頻領域為中國半導體立一塊品牌。」