GaN:实现 5G 的关键技术

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本文来自Qorvo半导体
 
日前,由 EETOP 联合 KEYSIGHT 共同举办的“2020 中国半导体芯动力高峰论坛”隆重举行。Qorvo 无线基础设施部门高级应用工程师周鹏飞也受邀参与了这次盛会,并发表了题为《实现 5G 的关键技术—— GaN》的演讲。
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首先,周鹏飞给我们介绍了无线基础设施的发展。他表示,每一代移动通信的发展大约都会经历 10 年左右的发展周期。而今年是 5G 元年,我们也能正式进入了 5G 时代。
 
“与 4G 相比,5G 频率比较高,因此为了实现相同的网络覆盖, 5G 基站的数量需要达到 4G 的三到五倍。统计数据显示:在去年,仅在国内就部署了 17 万个 5G 宏基站,今年预计部署约 60 万个基站”,周鹏飞说。
 
根据应用需求,5G 基站不仅要满足高速率、大容量、广覆盖、低延时等要求,同时还要满足低功耗,低成本等要求,这就让5G 基站不得不面对功耗,覆盖,成本以及杀手级应用市场在短期内还难以解决等难题。
 
为了解决上述问题,就给相关射频器件带来了新的机遇和挑战。
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周鹏飞表示,氮化镓是 5G 时代的一个理想半导体材料。但这并非意味着完全替代第一代和第二代半导体工艺。
 
在他看来,基带处理芯片依旧会以 CMOS 为主导,小功率芯片还会采用 GaAs 工艺,这些工艺不仅成熟,而且成本低,完全可以满足基站系统中基带和小信号部分的要求。
 
“但作为末级功放,不仅影响着覆盖范围,同时也与整机系统效率紧密相关。随着 EIRP 的提高,GaN 与其它工艺相比,具有先天的一些优势:比如高功率密度,高效率和大带宽等优势。”周鹏飞接着说。
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“如下图所示,与其他材料相比,在相同的 EIRP 的情况下,GaN在功耗,系统成本甚至设计复杂度等方面都有着其他材料无可比拟的优势”,周鹏飞说。
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“高功率密度是 GaN 最大的优势,所以开发者能基于此在比较小的尺寸上开发出更高功率的器件”,周鹏飞进一步指出。
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“在 Sub-6Ghz 频段,PA 还是独立在 FEM 之外,但到了毫米波频段,有可能需要把 PA、LNA 和 Switch 等器件都集成到一个 FEM 里面,这种高集成度的 FEM 需要 MMIC 方案才能实现,GaN 材料可以实现更小尺寸,更大功率的 PA,更低噪声的 LNA,更小插损的 Switch, 所以针对毫米波频段,用氮化镓来开发 FEM 就非常适用”,周鹏飞表示。
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他进一步指出,从 4G 走向 5G,GaN PA 将完全取代 LDMOS 器件,这是因为其拥有高效、高功率、高导热系数和大带宽等优势,非常适合 5G 的应用。但与此同时,有人指出,与 LDMOS 相比,单颗氮化镓器件的成本相对较高。
 
针对这个观点,周鹏飞在演讲中指出,在 5G 应用上,氮化镓和 LDMOS 器件的成本相差不远,因为这些器件的最大成本不是在 die 上,而是在管壳上。他表示,目前在 Massive MIMO 上应用的 GaN PA,由于单通道的功率并不高,基本都采用了低成本的塑封,所以成本不会太高。
 
“随着 5G 海量出货,以及后续 wafer 技术更新为 6 英寸,成本将会进一步降低”,周鹏飞接着说。
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从衬底方面看,当前主流的氮化镓衬底有硅衬底和 SiC 衬底两种方案,目前大部分厂商都是使用 SiC 衬底的氮化镓。在周鹏飞看来,这两种不同衬底氮化镓的最大区别在于“热”,热耗是最难处理的问题之一。
 
从下图我们也可以看到,GaN on SiC 比 GaN on Si 有热、沟道温度和寿命方面的优势。
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从氮化镓材料本身特性来看,氮化镓的器件也有和其他”竞争对手”所不具备的优势,具体如下图所示。
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GaN on SiC 的优势也能从下图中一览无遗。其高带宽、高效和高功率特性可以帮助客户做出更小尺寸的器件,进而帮助打造更小、更简单、更轻,且成本更低的系统。
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“得益于各个国家和地区对 5G 的布局,5G 网络基础设施在未来几年将会获得快速的增长,这就给相关的射频器件供应商带来了机遇”,周鹏飞说。
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作为业界领先的射频供应商,Qorvo 在氮化镓技术方面有深厚的积累。这些不同的工艺有不同的技术优势,也被应用到不同的场景当中。
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“如 QGaN15 是瞄准高带宽的微波和Ka波段的产品,QGaN25 则聚焦在 X 和 Ku 波段,QGaN25HV 则盯着 L 和 S 波段的产品,QGaN50 生产的产品则更适用于 UHF 和 C 波段的频率”,周鹏飞说。
 
“Qorvo 氮化镓器件的 MTTF 在 200C 的情况下,可以达到 10 的七次方小时,足以说明 Qorvo 氮化镓器件在可靠性方面的优势”,周鹏飞进一步强调。
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据周鹏飞介绍,除了氮化镓以外,Qorvo 还拥有 GaAs、SOI,BAW, SAW 和 RF CMOS 等多种其他制程方面技术,公司同时在封测和规模效应方面也有领先的优势,这让其成为了全球领先的氮化镓射频器件供应商。
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得益于这些技术积累,Qorvo面向 Sub-6Ghz 领域提供了极具竞争力的射频前端方案。
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针对末级 GaN PA,Qorvo 更是提供了 Discrete 和 DPAM 等多样化的方案,以供客户选择。
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