氮化鎵5G PA 現狀分析

5G基站對功率放大器（PA）晶片和其他射頻器件的需求正在日益增加，為不同公司和技術之間的對決奠定了基礎。

功率放大器器件是提升基站中射頻功率信號的關鍵部件。它基於兩種競爭性技術，即矽基LDMOS或射頻氮化鎵（GaN）。GaN是一種III-V族化合物半導體技術，性能優於LDMOS，因此非常適合5G的高頻要求。但GaN價格昂貴，在晶圓廠中存在一些挑戰。而LDMOS(橫向擴散金屬氧化物半導體)有一些局限性，但它不會就此消失。

儘管如此，5G是一個快速發展但複雜的市場。僅在供應鏈的一個環節，設備製造商就在晶圓廠中製造功率放大器等射頻晶片。從那裡將設備運送到基站供應商進行集成。所謂的宏基站是指位於基站塔上的系統，它能在大範圍內提供射頻無線覆蓋。

一般來說，上一代3G基站的功率放大器器件都是基於LDMOS的。LDMOS作為一種成熟且廉價的技術，在4G基站市場佔據了先機。隨著時間的推移，GaN功率放大器在4G領域取得了重大進展。功率放大器並不是基站中唯一的器件，功率放大器是基站和其他系統中把低功率射頻信號轉換為高功率信號的小型電路。這些其他器件可以基於多種工藝來製造。

儘管如此，基於GaN的功率放大器在5G中也獲得了發展。與4G一樣，中國的基站廠商在中國5G系統的初期部署中也採用了基於GaN的功率放大器器件，其他基站廠商也在跟進。

這有幾個原因，5G是一種比現在的4G更快的下一代無線技術，它被部署在兩個不同的領域--sub-6GHz和mmWave（28GHz及以上）。一般來說，在更高的頻率下，LDMOS會表現較差，這就促使人們需要GaN。與LDMOS相比，GaN具有更高的功率密度，可工作在更寬的頻率範圍內。

「 5G基礎設施中對密集小型天線陣列的需求正導致圍繞RF系統中功率和熱管理的關鍵挑戰。憑藉改善的寬帶性能、效率和功率密度，GaN器件為解決這些挑戰的更緊湊解決方案提供了潛力。」 Lam Research戰略行銷董事總經理David Haynes說。

LDMOS並沒有消失。一些移動運營商正在為5G部署低頻段和高頻段。LDMOS適用於較低頻段。因此GaN和LDMOS都將在5G中找到一席之地。YoleDéveloppement分析師Ezgi Dogmus表示：「在宏基站中，隨著GaN在華為4G LTE基礎設施設備中的廣泛採用，GaN已逐漸從LDMOS手中奪取市場份額。」 「在5G sub-6GHz的制式中，我們看到低功耗有源天線系統中LDMOS和GaN之間的激烈競爭。在需要大帶寬容量的頻段中採用了GaN。」

不管怎樣，這些數字是驚人的。到2025年，整個GaN RF市場將從7.4億美元增長到超過20億美元，複合年增長率為12％。電信基礎設施和軍用雷達是RF GaN的主要驅動力。根據IBS執行長漢德爾·瓊斯的說法，在另一個例子中，中國在2019年建造了13萬個5G基站，並計劃在2020年再安裝50萬個。瓊斯說，到2024年，中國的目標是部署600萬個系統。日本，韓國，美國和其他國家也正在大力推動5G。

這些數字不能說明全部情況。在 RFGaN 中，還有其他動態，包括：

GaN 電晶體技術具有 1μm 及以上的柵極長度，儘管有些正在開發 90nm 及以下工藝。

RF GaN 供應商正在從 100mm遷移到 150mm 晶圓尺寸，以降低成本。

大多數RF GaN器件使用碳化矽（SiC）襯底。多家供應商正在研究具有競爭力的RF GaN矽襯底。

許多美國晶片供應商被禁止向華為銷售產品。

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不斷發展的基站

當今的無線網絡圍繞 4GLTE 標準展開，該標準從 450MHz 到 3.7GHz 頻段運行。4G 速度快但很複雜。它由 40 多個頻段以及 2G 和 3G 頻段組成。

4G LTE網絡由三部分組成-核心網絡、無線電接入網絡（RAN）和諸如智慧型手機之類的最終用戶設備。核心網絡由移動運營商運營，負責處理網絡中的所有功能。

RAN由基站組成的巨型蜂窩塔組成。RAN基本上是一個中繼系統，在給定區域中具有多個蜂窩塔。

基站本身由兩個獨立的系統組成，即建築物基帶單元（BBU）和遠程無線電頭（RRH）。位於地面上的BBU處理RF處理功能。它充當基站和核心網絡之間的接口。

RRH位於手機信號塔的頂部，由三個左右的矩形盒子組成。天線單元位於塔的頂部。RRH處理RF信號的轉換，而天線則發送和接收信號。

在RRH盒子裡面，有一組晶片，它由發射鏈和接收鏈組成。簡單來說，單元內接收到一個數位訊號。它被轉換為模擬信號，上變頻到射頻頻率，經過放大、濾波，然後通過天線發送出去。

「一個相對高端的LTE基站可能有四個發射機。在每座發射塔上，都將有四個功率放大器向外發送信號，捕捉數據，並將數據發送給客戶，」研究公司Mobile Experts的分析師丹麥克納馬拉(Dan McNamara)說。「每個塔上都有三個。把它想像成一個派。根據信號從塔上輻射出來的方式，每個人處理一個特定的圓圈。所以，實際上有12個(發射機)。」

與此同時，運營商正在部署5G。與 4G 相比，5G 有望以低於10 倍的延遲、10 倍的吞吐量和 3 倍的頻譜效率提升行動網路速度。"移動通信系統正從4G向5G遷移新的無線電（NR）頻段分布在兩個定義的頻率範圍（FR），即 FR1：450MHz 至 6GHz 和 FR2：24.25GHz 至 52.6GHz。有三個維度可以提高性能，即大規模 IoT、低延遲和增強型移動寬帶（eMBB），用於大規模連接、超高可靠和低延遲以及容量增強。

每個國家都有不同的5G戰略。對於 5G，中國使用 3.5GHz 作為頻率。然後，5G 基站類似於 4G 系統，但它的規模要大得多。對於 5G 中的 6GHz 以下，假設您有一個宏基站。天線的功率級別範圍為 40 瓦、80 瓦或 100 瓦。

在 RRH 板上，您擁有各種設備，如功率放大器、低噪聲放大器（LNA）、收發器等。RF 過程通過幾個步驟變得複雜。"想想收發器是基帶數字的一面。從這個收發器出來，（信號）進入射頻。通常，您有某種類型的接收路徑。而對我們來說，這是基於GaAs的。它也可以是矽基的。它基本上是 LNA，有一個開關，"James Nelson解釋道，他是 Qorvo 的 5G 基礎設施帳戶主管。"在這種情況下，我們在接收端製造的所有模塊都是雙通道。因此，您可以有效地看到頂部和底部的兩個功率放大器部分或傳輸部分。它們是相同的，因為這是一個雙通道。GaN 播放的地方位於這些放大器塊中。放大可以用很多不同的方式進行。

圖1：宏基站和天線的演進

5G在其他方面有所不同。5G中不是像4G中的12個發射鏈，而是有32或64個發射鏈。"5G中的等效系統在每路中要有32或64個功率放大器乘以3。

下一步是將部分或全部RRH集成到天線中。這些集成基站利用大規模MIMO天線系統。集成了微小的天線，大規模MIMO通過波束成形技術與用戶進行通信。

與此同時，在美國，5G是零碎的。一些電信公司正在部署更快的 5G 版本，使用 28GHz 的毫米波頻率。如今，mmWave 僅限於固定無線服務。這是一個利基市場，面臨各種挑戰。當運營商開始以 3.7GHz 的速度部署 C 波段技術時，美國將部署 5G 的大部署。C 波段的時間尚不清楚。

GaN與LDMOS

通常，5G基站將合併用於更高頻率的基於GaN的功率放大器。LDMOS也在低頻段混用。

多年來，基站採用基於LDMOS電晶體技術的功率放大器晶片。LDMOS電晶體是類似於MOSFET的橫向器件。它具有源極，柵極和漏極。

LDMOS與MOSFET略有不同。LDMOS技術供應商Ampleon表示：「源極通過P +漏極連接到晶圓的背面，從而使管芯的背面成為電晶體的源極連接。」 恩智浦和其他公司也出售LDMOS產品。

LDMOS以矽為基礎，在200mm的晶圓廠中加工到0.14μm。LDMOS電晶體被用於開發標準的基站用Doherty功率放大器晶片。一個Doherty功率放大器架構有兩個放大器部分，可以實現系統的高效率。

LDMOS仍在不斷改進，但可以說它在2GHz以上的頻率上遇到了麻煩。「從歷史上看，您有900MHz的GSM，然後是1.8GHz和2.1GHz。這些是LDMOS主導的傳統頻段，」 CreeWolfspeed部門射頻產品副總裁兼總經理Gerhard Wolf說。「然後，您還將擁有2.69GHz的7和41頻段，並且會更高。這是GaN發揮作用的時候。與LDMOS相比，GaN的效率在更高的頻率下更好。在3.5GHz級別的GaN效率更高。」

GaN是一種寬帶隙技術，指的是電子脫離其軌道所需的能量。GaN的帶隙為3.4 eV，而矽為1.1 eV。

GaN器件比其他技術具有更好的性能，可處理更多功率。GaN還可以實現更高的瞬時帶寬。這意味著系統中需要的放大器更少。

但是RF GaN比LDMOS更昂貴。線性度也是RF GaN的問題。這涉及功率放大器在不失真的情況下放大信號的能力。

儘管如此，GaN仍用於製造高電子遷移率電晶體（HEMT）。GaN是材料，而HEMT是器件結構。GaN HEMT是具有源極，柵極和漏極的橫向器件。電流從源極流到漏極，並由柵極控制。

像LDMOS一樣，RF GaN用於開發功率放大器晶片。例如，住友在最近的一篇論文中描述了基於GaN的寬帶Doherty放大器的開發。兩級放大器由一個用於載流子部分的GaN電晶體和兩個用於峰化部分的電晶體組成。每個電晶體都有一對180瓦的GaN管芯。

GaN並不是一個新技術，它可以追溯到1970年代，當時RCA設計了基於GaN的LED。二十年前，美國資助了用於軍事/航空應用的GaN開發。GaN還用於CATV放大器，LED和功率半導體。

2014年，隨著GaN在其4G基站中加入了基於GaN的功率放大器，RF GaN市場開始騰飛。當時，LDMOS佔據了主導地位，但是很快就改變了。「多年來，在最初的4G首次部署和部署中，LDMOS技術是主要技術，並且確實在市場上佔據了主導地位，」恩智浦RF產品發布和全球分銷經理Gavin Smith說。

同時，華為和其他公司已經在中國安裝5G基站。像4G一樣，中國的OEM廠商也在擁抱基於GaN的功率放大器。其他基站OEM也在效仿。

「 LDMOS在5G FR1的高頻段性能基本耗盡。GaN-on-SiC是現在較好的選擇， GaN-on-SiC RF適用於48V Doherty放大器，以實現5G基站中大功率放大器的高效率，高耐用性。

LDMOS不會消失。中國一些運營商正在部署低頻5G頻段。LDMOS可能在這裡起作用。

然後，如果或者當該行業遷移到成熟的mmWave 5G網絡時，運營商還可以部署一系列小型基站。小型蜂窩有幾種技術在起作用。Lin說：「矽基GaN射頻已被證明是28V或48V小型電池功率放大器的非常合適的候選產品。」 「 GaN器件可以為未來的MMIC TRX和5G FR2應用中mmWave頻段的功率放大器提供非常寬的帶寬，高效率和低噪聲性能。」

然後，當行業遷移到全面的mmWave 5G網絡時，運營商也可能部署一系列的小蜂窩基站。小蜂窩有幾種技術在發揮作用。GaN-on-SiC射頻已被證明是28V或48V小蜂窩功率放大器的非常合適的候選者， GaN器件可以為未來5G FR2應用中mmWave頻段的MMIC TRX和功率放大器提供非常寬的頻帶、高效率和低噪聲性能。"

GaN的製造工藝

第一波5G基站已經部署完畢。現在，設備製造商正在開發新的基於GaN的功率放大器晶片，希望抓住下一波5G基站部署的機會。Cree、富士通、三菱、恩智浦、Qorvo、住友等在射頻GaN器件市場上展開競爭。"此外，在中美貿易戰之後，眾多中國公司正試圖在內部開發用於5G基礎設施的GaN射頻，而一些美國公司已經失去了市場份額。"Yole分析師Ahmed BenSlimane說。在最近的IMS2020會議上，各個實體都發表了有關RF GaN下一步發展的論文。其中：

弗勞恩霍夫（Fraunhofer）展示了工作在200GHz以上的G波段GaN功率放大器。

恩智浦介紹了一種效率為65％的300W GaN功率放大器。

Qorvo披露了其最新的90nm GaN工藝。GaN電晶體的峰值PAE為51％。

HRL開發了PAE為75％的漸變溝道GaN HEMT。

RF GaN持續改進，但是相對昂貴。提高效率是另一個挑戰。有時，GaN會遭受所謂的動態導通電阻的困擾。

作為回應，RF GaN供應商正在通過遷移到更大的晶圓尺寸，改善晶圓廠的工藝流程以及其他步驟來降低成本。

如上所述，GaN HEMT是具有源極，柵極和漏極的橫向器件。據Qorvo稱，門的長度決定了設備的速度。較小的門意味著設備更快。「電壓與柵極長度成比例。當您選擇較小的柵極幾何形狀時，您將無法擺動太多的電壓，從而限制了功率能力。」 Qorvo的納爾遜說。

在RF GaN中，最先進的柵極長度是90nm。供應商主要銷售柵長在0.15µm至0.5µm的RF GaN晶片。

每種技術都有其位置。"0.15μm是最先進的工藝之一。我們也有更高的頻率過程，"納爾遜說。"對於 3.5GHz 基站，您不會使用 0.15μm GaN 工藝。對於功率級別和頻率，您不需要這種類型的幾何體。我們有一個0.5μm的過程，這將是65v功能。雷達的傢伙喜歡它。不是每個人都要移動到65v。然後，我們還有另一個針對 48v的進程，這是基站常見的。然後，您有 0.15μm 版本，可以介於 28 到 20v伏之間。

儘管如此，在晶圓廠中，RF GaN工藝始於基板的開發。RF GAN的主要基板是SiC（GaN-on-SiC）。用於RF GaN的SiC襯底基於100mm晶圓，目前正在生產150mm。

GaN-on-SiC有其優缺點。它具有高熱導率，但 SiC 基板在生產階段容易出現缺陷，基板價格昂貴。

其他公司正在研究可在200mm晶圓廠中生產的GaN-on-silicon。200mm可使每個晶片更多的管芯，從而降低製造成本。

Cree / Wolfspeed的首席技術官John Palmour說：「保守地說，95％的市場是GaN-on-SiC。」 "GaN-on-Silicon 的理念是基板價格便宜，但矽的導熱性是碳化矽的三分之一。去掉熱氣要困難得多為了彌補這一點，你必須把矽基氮化鎵的器件做得更大。你並不能真正在成本上取勝。"

最終，每種技術都有自己的位置。Lam的Haynes說：「 GaN-on-SiC將專注於最高功率和性能的應用，而GaN-on-Silicon將解決對成本更敏感的應用。」 「這是因為GaN-on-Silicon提供了與CMOS兼容性，利用更大的晶圓尺寸和更先進的晶圓製造技術的能力，以及氮化鎵技術與其他解決方案在多晶片模塊中的集成。」

無論襯底類型如何，下一步都是使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）系統在襯底上生長外延層。

首先，在襯底上生長緩衝層，然後是溝道層，然後是阻擋層。將電子從源極傳輸到漏極的通道基於GaN。

Qorvo稱，緩衝層阻止電子進入襯底，是基於摻雜碳或鐵的GaN材料。基於鋁-鎵-氮化物(AlGaN)，該屏障隔離了柵極和通道。

Veeco產品營銷高級經理Ronald Arif說：「頂層通常是一個薄的AlGaN層，在其下面覆蓋了幾微米厚的GaN層，以形成高速導電通道所需的2D電子氣。」 通過MOCVD生長SiC上的GaN是一個成熟的過程。由於成本和集成度的原因，該行業傾向於在矽襯底上生長GaN材料。但這在材料質量，均勻性和缺陷性方面提出了重大挑戰。」

儘管如此，下一步是在器件頂部形成源極和漏極。然後，在結構上沉積一層氮化矽。

下一步是形成大門。在設備上，蝕刻系統蝕刻出一個小開口。金屬沉積在開口中，形成柵極。

柵極蝕刻工藝有效。但是有時，該工藝可能會損壞GaN表面的底部和側壁。

因此，供應商正在探索將原子層蝕刻（ALE）用於GaN 的用途。ALE可以原子級去除材料，但這是一個緩慢的過程。因此，ALE可以與GaN的傳統蝕刻工藝結合使用。

"它可能需要一套蝕刻工藝來解決GaN HEMT和MIMIC製造的獨特挑戰，"Lam的Haynes說。"這些包括使用ALE來實現GaN/AlGaN結構的原子精確、超低損傷和高選擇性蝕刻。與傳統的穩態蝕刻工藝相比，使用這種方法，我們已經證明了蝕刻後GaN片層電阻降低了2倍，表面粗糙度相當於沉積的外延膜。這樣的改進對提高器件性能和可靠性有直接影響。"

最後，將基板減薄，並將底部金屬化。據Qorvo稱，在基板的頂部和底部之間形成了通孔，可降低電感。

結論

同時，多年來，廠商一直在討論使用GaN作為智慧型手機的功率放大器。而如今的手機PA使用的是砷化鎵(GaAs)工藝。對於智慧型手機來說，GaN的價格過於昂貴。另一方面，GaN在其他一些市場上也獲得了發展，使其成為眾多值得關注的技術之一。

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