5G功放技术战:GaN和LDMOS各擅胜场

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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)。”
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。”
 
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图1:宏基站和天线的演进。
资料来源:5G Americas
 
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。
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