5G功放技术战-GaN和LDMOS各擅胜场

来源：RF技术社区

5G的快速部署，使得在基站中大量使用的功率放大器（PA,简称功放）芯片及其他射频组件的需求持续增长，成为各家射频公司争夺的焦点。

在基站应用中，主要用于增强射频信号的PA有两种技术路线，一种是采用硅工艺的LDMOS（Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor，横向扩散MOS）技术，另外一种是基于三五族工艺的氮化镓（GaN）技术。GaN技术性能比LDMOS更好，非常适合5G高频应用的需求，不过价格相对更贵，而且在制造上还有一些难度，导致其产能有限。LDMOS技术稍显陈旧，有其局限性，但市场仍有需求。

快速发展的5G市场其实很复杂。仅看射频供应链，芯片厂商开发制造PA等射频芯片，这些厂商将其产品交由设备商进行系统集成，设备商利用射频芯片及其他元器件开发出宏基站，以为蜂窝系统系统无线覆盖。

3G基站的PA都是基于LDMOS技术，LDMOS工艺非常成熟，而且成本很低，在4G时代刚开始时是当时市场的主流射频技术。但GaN技术在4G时代崭露头角，并开始逐渐侵蚀GaN的传统领地。

当然，基站中的器件并不是只有PA，也有滤波器、射频开关等器件，这些器件所用制造工艺也随技术各有不同，也在随技术发展而对器件工艺提出或大或小不同的新要求。

5G部署驱动了基于GaN的PA技术普及，中国的基站设备商在部署5G时采用了大量GaN工艺PA，其他国家的基站厂商在PA技术上跟随了中国厂商路线。

5G频谱分布在6GHz以下及28GHz以上毫米波的波段，频率越高，LDMOS工艺的器件性能下降越多，这时候GaN优势就明显了。与LDMOS相比，GaN器件功率密度更高，而且可以在更宽的频率范围工作。

泛林集团市场战略董事总经理大卫·海恩斯（David Haynes）说：“5G基础设施对高密度、小尺寸天线阵列的需求，导致射频系统中对功率和热管理处理的难度大增，GaN能效高、功率密度高，适应频率范围更宽，有能力应对5G基站小型化趋势。”

如前所述，5G可分为低频段（6GHz以下）与高频段（毫米波），在低频段5G部署中，LDMOS还有用武之地。市场研究机构Yole分析师埃兹吉·道格马斯（Ezgi Dogmus）说：“由于华为在4G部署中广泛采用GaN，GaN在4G宏基站中正在抢夺LDMOS的市场份额；在5G的6GHz以下频段，LDMOS和GaN在低功率有源天线系统中展开激烈竞争，而GaN在需要高带宽的频段中更受欢迎。”

种种迹象表明，GaN市场潜力惊人。Yole预测，2025年GaN射频市场规模将从现在的7.4亿美元增长到20亿美元，年复合增长率为12%，其中，移动通信的基础设施和军用雷达是射频GaN的主要驱动力。

而根据IBS首席执行官亨德尔·琼斯（Handel Jones）的统计，中国在2019年建了13万个5G基站，并计划在2020年再装50万个。琼斯说，到2024年，中国的目标是部署600万个5G基站，日本、韩国、美国和其他国家也正在大力推动5G。

上面只是射频功放市场面貌的冰山一角。在射频GaN中，至少还有其他因素影响：

GaN晶体管的栅极长度一般在1微米及以上。当然有些厂商在开发90纳米及以下的工艺；

GaN厂商正在从4寸晶圆线（100mm）向6寸晶圆线（150mm）迁移，以降低成本。

大多数射频GaN器件使用碳化硅（SiC）衬底。但也有数家厂商正在研究更有竞争力的硅衬底GaN。

中美贸易战中芯片是重点领域，多家美国厂商需向美政府申请才能向华为供货，这种因素对产业的影响尚难评估。

不断发展的基站技术

现在移动通信基于4G LTE技术向后发展。该标准的工作频率范围是450MHz到3.7GHz,4G速度很快，但非常复杂，全球有40多个频段，还要兼容2G和3G频段。

4G LTE网络由三部分组成-核心网络、无线电接入网络（RAN）和终端设备（例如智能手机）。核心网络由移动运营商运营，负责提供网络中的所有功能和服务。

RAN由基站组成的巨型蜂窝塔组成。RAN可视作一个中继系统，在给定区域内可配置多个蜂窝塔。

基站由两个独立的系统组成，即室内基带单元（Building Baseband Unit,简称BBU）和射频拉远设备（Remote Radio Head，简称RRH）。位于地面上的BBU负责射频信号处理功能，它充当基站和核心网络之间的接口。

RRH位于手机信号塔的顶部，由三个左右的矩形盒子组成。天线单元位于塔的顶部。RRH处理射频信号的转换，而天线则发送和接收信号。

RRH内部主要由发射和接收信号链的芯片组成。简而言之，在该设备将接收到的数字信号转换为模拟信号，上变频为射频信号，经过放大，滤波然后通过天线发射出去。

市场研究机构Mobile Experts分析师丹·麦克纳马拉（Dan McNamara）说：“较高端的4G基站都可能有四个发射通道，每座蜂窝塔有三个基站，呈扇形分布，每个基站覆盖一定角度，因此（一座蜂窝塔）实际上有12个（收发通道）。”

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和4G相比，5G的延迟更低、吞吐量更大、频率效率更高。每个国家都有不同的5G战略。中国使用3.5GHz作为5G前期部署的频段，5G基站类似于4G系统，但是规模更大。对于5G中低于6GHz的频段，宏基站天线的功率范围为40瓦、80瓦或100瓦。

在RRH的PCB上有各种器件，例如PA、低噪声放大器（LNA）和收发器等。Qorvo 5G基础设施客户总监詹姆斯·尼尔森（James Nelson）说：“收发器与数字基带相连，从天线接收到的射频信号（到数字基带）是需要接收路径的，我们的器件一般是基于砷化镓（GaAs）工艺，也有基于硅工艺的器件。接收通道的放大器部分，通常是GaN器件。”

一座4G蜂窝塔有12条收发通道（传输链），而5G会有32条或64条通道。丹·麦克纳马拉表示，相比4G，5G对射频器件的需求将是成倍的。

未来或许将会把RRH的全部或部分集成到天线中，以构成大规模多入多出（MIMO）天线系统。利用波束成形技术，大规模MIMO协同小天线完成通信功能。

美国的5G频谱呈分裂的形态，不同电信公司选择了不同的频谱，有一些正在使用28GHz来部署更快的5G技术，有些则也选择6GHz以下波段。现在毫米波仍只用于固定无线业务，当前技术上还有很多困难，仍是一个小众市场。当运营商开始在3.7GHz的C波段上部署5G时，美国5G普及速度将加快。

GaN与LDMOS

一般，5G基站高波段用GaN工艺PA，而低波段则是LDMOS和GaN技术混用。

传统上，基站主要用LDMOS器件,该工艺基于硅，可在8寸晶圆厂中做到0.14微米工艺，主要供应商有Ampleon、恩智浦等厂商。

LDMOS仍在不断改进，但2GHz以上的高频段性能下降问题现在没有好的解决方法。科锐（Cree） Wolfspeed部门射频产品副总裁兼总经理杰哈德·沃尔夫（Gerhard Wolf）说：“如你所见，我们经历过900MHz的GSM，然后是1.8GHz和2.1GHz,这些是LDMOS主导的传统频段，不过在波段7和波段41的2.69GHz,GaN应用已经开始出现，GaN在高频下性能比LDMOS好，尤其是3.5GHz及以上的频段。”

GaN是宽禁带工艺，GaN的带隙值为3.4 eV，而硅为1.1 eV。GaN功率密度更高，也支持更高的瞬时带宽，可以减少射频系统中功放的使用数量。

但是GaN器件的缺点是比LDMOS要贵不少，线性度也存在问题。不过，GaN仍是当前高频射频大功率功放的首选工艺。

GaN技术出现却很早，可以追溯到1970年代，当时RCA设计了基于GaN的LED。二十年前，美国资助了用于军事/航空应用的GaN开发。GaN还用于有线电视放大器和功率半导体。

2014年，华为首次在基站中导入GaN工艺功放，GaN射频市场开始腾飞。当时还是LDMOS绝对主导，但市场很快发生变化。恩智浦射频产品发布和全球分销经理格文·史密斯（Gavin Smith）说：“在4G刚开始部署时，LDMOS是当时的主导技术，4G后期GaN开始被测试并部署，这个技术的转变在5G更明显，5G时代LDMOS和GaN两种方案都得到了应用。”

联华电子旗下Wavetek首席技术官林嘉孚：“LDMOS在5G FR1高频段力不从心，基于SiC的GaN现在是合适的选择。由于其宽带隙、高迁移率和良好的导热性，射频GaN器件具有宽带应用的优势，这是5G通信的关键器件之一。基于SiC的GaN适用于48V Doherty放大器，可为5G基站中的大功率放大器实现高效率、高耐用性。”

LDMOS也不会消失，中国运营商正在部署低频5G设施，LDMOS在这些领域还能发挥作用。

如果基于毫米波的5G技术开始大量部署时，GaN的市场前景更好，林嘉孚说：“硅基GaN已被证明是28V或48V小型PA非常合适的候选射频工艺。”

制造GaN

第一波5G基站已经完成部署，器件厂商正在开发基于GaN的新一代PA芯片，以期赶上下一波5G基站部署浪潮。

科锐、富士通、三菱、恩智浦、Qorvo、住友等在GaN射频器件市场上竞争。Yole分析师艾哈莫德·本·苏莱曼（Ahmed Ben Slimane）说：“中美贸易战之后，许多中国公司正试图为5G基础设施应用开发GaN射频器件，而部分美国公司丢掉了一些市场份额。”

在最近的IMS2020会议上，各企业与机构都发表了有关GaN射频技术下一步发展的论文。其中：

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

恩智浦介绍了一种效率为65％的300W GaN功率放大器。

Qorvo披露了其最新的90纳米GaN工艺。GaN晶体管的峰值PAE（功率附加效率）为51％。

HRL开发了PAE为75％的渐变沟道GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）。

GaN射频技术持续改进，但成本依然较高。提高效率是另一个挑战。还有，GaN会遭受所谓动态导通电阻（dynamic on resistance）的困扰。

作为应对，GaN射频供应商正在通过使用更大的晶圆尺寸生产（例如6英寸）、改善工艺流程以及其他方法来降低成本。

如上所述，GaN工艺HEMT是具有源极，栅极和漏极的横向器件,据Qorvo称，栅极的长度决定了器件的速度，较小的栅极意味着器件开关更快。Qorvo的尼尔森说：“电压与栅极长度成比例。当采用较小的栅极尺寸时，就无法驱动大电压，从而限制了功率输出能力。”

在GaN射频器件中，最先进的栅极长度是90纳米。现在主流GaN芯片的栅长是150纳米至500纳米。

每种技术都有适用场景，尼尔森说：“0.15微米（即150纳米）是最先进的工艺之一。我们还有更高频率的工艺，对于3.5GHz的基站，不会考虑用0.15微米的GaN工艺,功率和频率参数不需要这种工艺，我们有0.5微米工艺，可以支持65V电压，非常受雷达厂商的欢迎，0.5微米工艺也有48V版本。0.15微米工艺则可应对20至28V电压应用。”

目前GaN的衬底主要用碳化硅（SiC），目前主流加工尺寸是4英寸，也有部分厂商能做6英寸的SiC衬底。

基于SiC的GaN导热率高、性能好，但制造中良率较低，所以成本高昂。有些公司正在研究可在8寸晶圆厂中生产的硅衬底GaN。8寸线可使每个晶圆生产更多的芯片，从而降低制造成本。

科锐/Wolfspeed的首席技术官约翰·帕尔默（John Palmour）说：“保守地说，GaN市场95％都是碳化硅的衬底。开发硅基GaN的思路是衬底便宜，但是硅的导热率是碳化硅的三分之一，要散发热量就困难得多。为了弥补散热难，必须把硅基GaN器件变大，所以最后不会真正在成本上获益。”

泛林集团海恩斯说：“SiC基GaN将专注于最高功率和性能的应用，而硅基GaN将主要面向对成本更敏感的应用。这是因为硅基GaN具有与CMOS工艺兼容的可能，利用更大的晶圆尺寸和更先进的晶圆制造技术能力，将GaN技术与其他工艺在多芯片模块中实现集成。”

无论衬底类型如何，下一步都是使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统在衬底上生长外延层。

首先，在衬底上生长缓冲层，然后是沟道层，然后是阻挡层。基于GaN，生成将电子从源极传输到漏极的通道。

根据Qorvo的说法，基于掺杂有碳或铁的GaN材料，可防止电子移动到衬底中的缓冲层。势垒基于氮化铝镓（AlGaN），将栅极和沟道隔离。

Veeco产品营销高级经理罗纳德阿里夫（Ronald Arif）说：“顶层通常是一个薄的AlGaN层，在其下面覆盖了几微米厚的GaN层，以形成高速导电通道所需的2D电子气。通过MOCVD生长GaN-on-SiC是成熟工艺，但由于成本和集成度的考虑，行业倾向于在硅衬底上生长GaN材料。但这对材料质量的均匀性和缺陷性方面提出了重大挑战。”

下一步是在器件顶部形成源极和漏极。然后，在结构上沉积一层氮化硅。

下一步是形成栅极。在器件上，蚀刻系统蚀刻出一个小口，金属沉积在开口中，形成栅极。但有时，该工艺可能会损坏GaN表面的底部和侧壁。

因此，制造商正在探索将原子层蚀刻（ALE）用于GaN的可能。ALE以原子级去除材料，但这是一个缓慢的过程。因此，ALE可以与GaN的传统蚀刻工艺结合使用。

泛林集团的海恩斯说：“可能需要一套定制蚀刻工艺来解决氮化镓HEMT和MIMIC制造的特殊困难，其中包括使用ALE实现原子精确、超低损伤以及对GaN / AlGaN结构的高度选择性蚀刻。与传统的稳态蚀刻工艺和表面粗糙度（相当于沉积的外延膜）相比，我们证明了使用这种方法蚀刻后GaN薄层电阻降低了2倍。此类改进直接影响改善的设备性能和可靠性。”

最后，将基板减薄，并将底部金属化。据Qorvo称，在基板的顶部和底部之间形成通孔，可降低电感。

结论

多年来，厂商一直在讨论能否将GaN用作智能手机的PA。当今的手机用砷化镓（GaAs）工艺PA。

GaN对于智能手机而言太贵了。但GaN在其他射频市场越来越受欢迎，使其成为众多值得关注的技术之一。

审核编辑黄昊宇