氮化镓如何在5G时代大展拳脚？

据麦姆斯咨询介绍，5G的角逐似乎正在不断加速，尤其是在美国，AT&T和Verizon等主要电信运营商宣布将在2018年底之前推出5G服务。先进的LTE（LTE-A）已经迅速升级扩展到当前的基站（BS）。LTE-PRO（亦即4.5G）的现场试验正在全面展开，下载速度已经达到1 Gbps。固定无线接入（FWA）技术也已经通过了大量的现场试验，展示了毫米波（mmWave）频谱的早期成功应用。

5G发展时间表数据来源：《5G对射频（RF）前端产业的影响》对5G的严格要求不仅体现在宏观上带来基站密度致密化，还要求在器件级别上实现功率密度的增强。据麦姆斯咨询报道，GaN（氮化镓）将在未来几十年内以20%的复合年增长率（CAGR）显著地渗透两个主要市场——国防和无线通信。虽然许多其它化合物半导体和工艺也将在5G发展中发挥重要作用，但很明显地，GaN将以其功率/效率水平和高频性能，在高性能无线解决方案中发挥关键作用。先进调制方案考虑因素随着蜂窝技术的发展，所使用的调制方案通常是由具有高峰值平均功率比（PAPR，峰值功率与信号的平均功率之比）的非恒定包络来定义的。如下图所示，PAPR从3G（W-CDMA）的大约2:1急剧增长到了4G（LTE / OFDM）的7:1。并且，虽然OFDM等先进调制方案在有限的网络资源下实现了非常高的速度，但是频谱效率的提高，是以功率放大器（PA）的能量效率下降为代价的。

移动通讯信号PAPR的发展为了避免信号失真，必须对高PAPR波形进行线性放大。如果信号通过非线性PA，则会发生带内失真，进而增加误码率（BER）和带外辐射，从而导致相邻信道干扰。因此，这些高功率放大器往往需要在线性和效率之间进行权衡。

数据传输速度 vs. 载波单元（Component Carrier）数据来源：《5G对手机射频前端模组和连接性的影响》

载波聚合考虑因素除了存在不断增长的PAPR设计约束，还需要运行在比传统PA更宽的带宽上。移动网络运营商（MNO）已经面临着实现更高数据速率的需求，但严重受限于低于20 MHz的带宽。载波聚合便是为了在频谱稀疏的运行区间大幅增加有效带宽。载波聚合将同一频带内（带内）或不同频带内（带间）的无线信道组合起来，以提高无线数据速率，并降低延迟。LTE-A允许载波单元具有高达20MHz的带宽，最多支持5个这样的带宽，可以组成高达100MHz的带宽进行聚合。过去，移动网络运营商还可以使用覆盖单个20 MHz频段的系统，但未来必须大幅提升网络容量，才能支持即将到来的移动流量暴涨。现在的技术需要最高支持20倍的带宽，来处理这些多频带和多载波系统。支持这些先进的调制方案需要面对多方面的问题，目前已经开发出了多个已知的解决方案。有些包括数字预失真（DPD）以提高线性度，Doherty和包络跟踪（ET）技术以获得更高效率。GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借其固有的高击穿电压、高功率密度、大带宽和高效率，已成为基站PA的有力候选技术。对于约翰逊品质因数（FoM）（衡量高频功率晶体管应用的半导体适用性），GaN器件比硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）和磷化铟（InP）要高出几个数量级。相比现有的硅LDMOS和GaAs解决方案，GaN器件能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能。而且，GaN的宽带性能也是实现多频带载波聚合等重要新技术的关键因素之一。由于LDMOS无法再支持更高的频率，GaAs也不再是高功率应用的最优方案，预计未来大部分6GHz以下宏网络单元应用都将采用GaN器件。GaN基站应用

2015~2025年电信基站主要趋势数据来源：《RF GaN市场应用、技术及衬底-2018版》

根据市场研究机构ABI Research的研究数字，2014年基站RF功率器件市场规模为11亿美元，其中GaN占比11%，而横向双扩散金属氧化物半导体技术（LDMOS）占比88%。2017年，GaN市场份额预估增长到了25%，并且预计将继续保持增长。如下图所示，蜂窝基站GaN市场占整个RF功率市场的最大份额将超过50%。对于5G基站PA的一些要求可能包括3~6GHz和24GHz~40GHz的运行频率，RF功率在0.2W~30W之间。凭借其良好的传播特性，早期的5G网络可能会采用低于6 GHz的频段。

GaN预计到2025年将主导RF功率器件市场，抢占基于硅LDMOS技术的基站PA市场如前所述，GaN-on-SiC HEMT是基站PA的主要候选技术，因为它们能够在比硅 LDMOS晶体管更大的带宽、更高频率下，在Doherty配置中实现更高的功率附加效率（PAE）。GaN HEMT技术也可以非常坚固耐用，在高功率负载严重不匹配的情况下运行，并且性能降低最小。这种固有的高工作电压和输出阻抗带来了低损耗、宽带匹配和大输出功率。此外，其更大的安全运行区（SAO），可减轻由于功率波动引起的任何热场或电场击穿问题，从而最大限度地减少对基站设备的维护需要。GaN MMIC的低噪声系数性能结合其高功率密度，使它们成为发射器链中PA基板和接收器链中低噪声放大器（LNA）的潜在理想选择。

已有几种现有GaN 低噪声放大器实施方案能实现低噪声要求，同时可承受高入射功率而不会造成损坏。GaN毫米波应用毫米波（mmWave）频谱是实现5G的关键；其大量可用带宽是支持高数据速率应用（如4K/8K视频流）以及增强现实和虚拟现实（AR/VR）应用的有力选择。小型基站是利用毫米波频带的理想选择，因为它们可以在城市环境中紧密排布，减轻高频信号的有损传播特性。为了实际目的，这些小型基站必须易于安装在高尺寸、重量以及功率受限的结构上。

有关尺寸问题，事实上随着晶体管和天线尺寸在更高频率下的逐渐减小，某种程度上已经解决。不过，更小尺寸的组件，通常具有较差的热管理特性，因为较大的表面积能够更好地在设备上分散热量。SiC衬底具有相对较高的热导率（~120 W/MK），因此可以更容易地将热从晶体管转移到散热器。对于成本较低的小型基站应用，化学气相沉积（CVD）金刚石（~1800 W/MK）比SiC具有更大的热导率。GaN PA已经用于尖端卫星通信中的Ka波段转发器。

即将到来的高吞吐量卫星（HTS）和低地球轨道（LEO）中小型卫星需要外形尺寸更小的元件，以便在功率极其受限的环境中实现高度集成。该技术可以用于24 GHz以上的5G毫米波段。当前0.2um、0.15um和0.1um的GaN工艺可使截止频率进入W波段，功率密度约为2W/mm。GaN PA在较低频率下表现出的高功率密度、宽运行带宽、良好的PAE和线性度，以及低噪声性能，在毫米波频率下也具有相同的性能表现。AlGaN / GaN异质结构特别适用于高频性能，与基于AlGaAs / GaAs的器件不同，AlGaN / GaN异质结构的大自发和压电极化效应，可产生电子通道而不需要任何调制掺杂。GaN用于大规模MIMO当前的基站技术涉及具有多达8个天线的MIMO配置，以通过简单的波束形成算法来控制信号，但是大规模MIMO可能需要利用数百个天线来实现5G所需要的数据速率和频谱效率。

大规模MIMO中使用的耗电量大的有源电子扫描阵列（AESA），需要单独的PA来驱动每个天线元件，这将带来显著的尺寸、重量、功率密度和成本（SWaP-C）挑战。这将始终涉及能够满足64个元件和超出MIMO阵列的功率、线性、热管理和尺寸要求，且在每个发射/接收（T/R）模块上偏差最小的射频PA。由于GaN芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃，到了大规模MIMO系统在商业上可行的时候，GaN很可能成为一种自然选择。结语GaN衬底已经在军用雷达中使用了数十年，但是这类应用的机密性，在某种程度上阻碍了它在商业领域的成长和成熟。GaN器件发源于美国国防部，已经广泛应用于新一代航天和地面雷达系统。GaN的高功率性能提高了雷达的探测距离和分辨率，设计人员对该新技术的应用也已经日趋成熟。然而，与军事相关的技术总是非常敏感。随着国防应用领域日益青睐GaN器件，非军事应用领域或将受到影响，尤其是针对该技术的市场并购行为。

如果涉及军事应用，政府势必横加干预，例如FGC Investment Fund对Aixtron的并购，以及英飞凌（Infineon）对Wolfspeed的并购。尽管如此，恰如Yole及其他调研机构的预测，对这种宽带隙材料的需求正在发生转变，这将从根本上消除军事和集成设备制造商（IDM）对独立代工厂和设计公司的排他性。此外，蜂窝通信技术及行业的发展，为GaN的应用提供了非常有前景的利基市场。商业领域的这种需求，很可能会推动GaN基器件的制造，并最终降低GaN基器件的批量价格。随着蜂窝基站利用载波聚合等先进的调制方案和技术，商用GaN PA的早期应用可能会下降。 但在此之后，随着毫米波应用尤其是大规模MIMO的兴起，GaN的市场前景依然强劲，因为很可能没有其它候选技术，能够满足大规模有源电子扫描阵列所需的功率密度要求。