氮化镓是实现 5G 的关键技术

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                                      本文来自Qorvo公众号

 

日前,与 SEMICON CHINA 2020 同期的功率及化合物半导体国际论坛 2020 在上海隆重举行,Qorvo FAE 经理荀颖也在论坛上发表了题为《实现 5G 的关键技术—— GaN》的演讲。

 

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荀颖指出,从 5G 的演进来看,不但加大了如 Massive MIMO 等技术的投入,在频率方面,Sub-6Ghz 和毫米波的引入,也给相关供应商带来了新的要求。荀颖表示,在 5G 用例的推动下,除了宏基站,市场也对小基站有了更多的需求。伴随而来的是推动这些基站从频率、带宽以及效率等多方面提高。

 

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“对于运营商来说,就希望在 5G 基站方面找到一个运营成本,资本支出、可靠性和吞吐率等多个方面都是最优的解决方案,而拥有低功耗、高功率密度和长寿命等优势的氮化镓就成为了开发者们的选择”。荀颖说。

 

她进一步表示,氮化镓是 5G 时代射频 PA 材料的一个不错选择。

 

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荀颖在会上强调,5G 带给基站射频 PA 的设计带来了多方便的挑战:一方面,就是 PA 的线性化变得越来越难;另一方面,就是对 PA 效率的要求也越来越高;此外,信号带宽也越来越宽,同时还需要考虑载波聚合;最后,5G 时代的 PA 还需要在尺寸和热方面又了更多的考量。而这些都是氮化镓材料能够带给 PA 的。

 

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从氮化镓器件的制造看来,目前市场上主流的有硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓。从荀颖提供的资料可以看到,Qorvo 认为碳化硅基氮化镓在热耗和可靠性方面的表现都优于硅基氮化镓,为此 Qorvo 选择了碳化硅基氮化镓为公司在这个领域的主要发展方向。

 

“碳化硅基氮化镓也是目前基站应用的主流”,荀颖补充说。

 

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来到 PA 方面,碳化硅基氮化镓也展现出了它的优势。如下图所示,碳化硅基氮化镓的特性。在 PA 的带宽、效率、功率和热传导性方面都有着不错的表现。“因为过去这些年的应用推广,氮化镓器件的成本也在过去几年里迅速下滑,非常适合商业化”,荀颖说。

 

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如下图所示,Qorvo 的多种碳化硅基氮化镓工艺多个版本拥有不同的性能表现,也可以被覆盖到多个射频领域。在生命周期上,优于砷化镓等其他的工艺。在于砷化镓器件相比,优势更是明显。

 

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依赖于自己的工厂和技术积累,Qorvo 也将这些氮化镓器件应用到了他们的 5G Sub-6Ghz 和毫米波方案中。如下图所示,氮化镓方案在 5G 方案能提供更高的集成度、更小的封装和更大的带宽。

 

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而在 5G 毫米波方案中,包括氮化镓在内的器件则可以让产品在更小的空间能实现更高的功率。此外,效率、功耗、输出功率和更小的阵列尺寸,也是这些器件能提供的。

 

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从下图我们则可以看到 GaN 带给 5G 的优势。当中包括高功率密度让 PA 可以做得更小和更高效率。同时也能给 LNA 和开关带来更多的优势。基于这些器件,开发者就能实现更高的集成化,轻松将前端器件集成到一个独立的 MMIC 中。

 

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荀颖表示,毫米波的产品按照功率,可以分成多种形态,根据其产品性能的不同,可以用不同工艺下的射频器件去满足应用需求。从下图我们也可以看到,在同一的 65dBM EIRP 的情况下,使用硅工艺制造的单个器件也许在成本和功耗上会优于氮化镓器件,但如果将其整合到整个系统中,氮化镓的优势就会凸显。

 

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在 70dBM EIRP 之下,用不同工艺器件去打造系统得出的数据也再次证明了 GaN 器件的实力。

 

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通过在不同 PA 效率下的对比,我们又一次说明了 GaN 器件在毫米波应用中对基站的提升。当中包括但不限于效率提升、功耗降低、系统复杂度和成本的降低和 PA 效率的提升。

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作为一个 5G 射频领域的专家,Qorvo 能够提供从 90nm 到 0.5um 的 GaN 制造工艺,能够生产砷化镓 HBT 和 pHEMT,砷化镓 BAW、SAW、TC-BAW 和 TC-SAW。以及 RF CMOS 和 SOI 开关等产品;在封装方面的表现也不用多说。

                          

得益于这些配置,Qorvo 能够给客户大规模提供符合经济要求的器件。

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