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作者：畅秋
在手机通信系统当中，无论是手机端，还是基站端，射频（RF）系统的重要性越来越突出，特别是5G的发展和逐渐普及，对RF前端的性能、功耗综合水平的要求更高了。无论是手机还是基站，RF前端系统当中，PA（功率放大器）都是重中之重，随着5G的普及，传统半导体材料和工艺已经难以满足应用需求，特别是在基站端，是多种新工艺施展拳脚的绝佳舞台。
凭借高功率、高频工作环境下的优良性能，氮化镓（GaN）正在快速崛起，特别是在RF应用领域，GaN都代表着高功率和高性能应用场景的未来，将在很大程度上替代砷化镓（GaAs）和LDMOS。
Strategy Analytics指出：基站是RF GaN收入的主要来源，且增长最快。RF GaN器件（主要是PA）在商业和国防应用中的基本面非常强劲，预计到2025年收入将接近20亿美元。
在基站端，传统LDMOS工艺用的比较多，但是，LDMOS 技术更适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。为了适应5G网络对性能和功率效率的需求，越来越多地应用到了GaN，它能较好地适用于大规模MIMO。在手机端，射频前端PA还是以GaAs工艺为主，目前还看不到GaN的机会，主要原因是成本和高电压特性，这在手机内难以接受。
不过，随着工艺水平的提升，以及成本的下降，未来，RF GaN应用于手机等便携式设备是可以期待的。 由于基站越来越多地用到了多天线MIMO技术，这对PA提出了更多需求。预计到2022年，4G/ 5G基础用的射频半导体市场规模将达到16亿美元，其中，MIMO PA的年复合增长率将达到135%，射频前端模块的年复合增长率将达到 119%。
相对于4G，5G基站用到的PA数会加倍增长。4G基站采用4T4R方案，按照三个扇区，对应的射频PA需求量为12个，5G基站中，预计64T64R将成为主流方案，对应的PA需求量高达192个。
GaN PA前景可期
虽然，5G发展前景可期，但相关技术依然未达到成熟水平，特别是功耗问题，无论是基站，还是手机，都存在这个问题。
特别是基站，目前来看功耗比4G高出不少，而在所有耗电的芯片元器件当中，PA是大户。因为射频信号功率很小，只有经过PA放大获得足够的射频功率后，才能馈送到天线并发射出去，因此，PA是基站发射系统的重要器件。与此同时，PA也是最耗电、效率较低的器件，有统计显示，约一半的基站功率消耗在了PA上。
基站用PA市场空间巨大，但其性能和功率效率问题亟待解决。在这样的背景下，新工艺技术替代传统工艺早已被提上了议事日程。 GaN具有优异的高功率密度和高频特性。GaAs拥有微波频率和5V至7V的工作电压，多年来一直广泛应用于PA。硅基LDMOS技术的工作电压为28V，已经在电信领域使用了许多年，但其主要在4GHz以下频率发挥作用，高频应用较少。相比之下，GaN的工作电压为28V至50V，具有更高的功率密度和截止频率，在MIMO应用中，可实现高整合性解决方案。
在宏基站PA应用中，GaN凭借高频、高输出功率的优势，正在逐渐取代LDMOS；在小基站中，未来一段时间内仍然以GaAs工艺为主，这是因为它具备可靠性和高性价比的优势，但随着GaN器件成本的降低和技术的提高，GaN PA有望在小基站应用中逐步拓展。
在不久的将来，大部分6GHz以下宏基站应用都将采用基于GaN工艺的PA，5G网络采用的频段更高，穿透力与覆盖范围将比4G更差，因此，小基站将在5G网络建设中扮演很重要的角色。不过，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs等现有技术仍有其优势。而传统的LDMOS工艺在基站用PA市场的份额将逐年减少。
GaN衬底之争
目前，GaN外延片主要有两种衬底技术，分别是GaN-on-Si（硅基氮化镓）和GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）。另外，还有GaN-on-sapphire和GaN-on-GaN，不过这两种衬底的应用市场很有限。
在性能方面，GaN-on-SiC相对更好，但价格明显高于GaN-on-Si。GaN-on-Si生长速度较快，也较容易扩展到8英寸晶圆。虽然GaN-on-Si性能略逊于GaN-on-SiC，但目前工艺水平制造的器件已能达到 LDMOS 原始功率密度的5-8 倍，在高于2GHz的频率工作时，成本与同等性能的LDMOS 相差不大。
GaN-on-SiC结合了SiC优异的导热性，以及GaN的高功率密度、低损耗能力，与Si相比，SiC是一种非常“耗散”的衬底，此基板上的器件可以在高电压和高漏极电流下运行，结温将随射频功率而缓慢升高，因此，其射频性能更好，是射频应用的理想材料。在相同的耗散条件下，SiC器件的可靠性和使用寿命更好。另外，SiC具有高电阻特性：这非常有利于毫米波传输，这在设计带有大型匹配电路的高频MMIC时很有价值。但是，SiC衬底仍然限制在4英寸与6英寸晶圆，8英寸的还没有推广。
目前，业界多数商用RF GaN器件采用GaN-on-SiC衬底。 SiC独特的电子和热性能使其非常适合高功率和高频半导体器件,其性能远超过Si或GaAs。GaN-on-SiC技术的关键优势包括降低开关损耗、更高的功率密度、更好的散热和更高的带宽容量。在系统层面，可以实现高度紧凑的解决方案，大大提高功率效率，降低成本。
在射频应用方面，Wolfspeed（Cree）拥有最强的实力，在射频应用的 GaN HEMT 专利竞争中，尤其在GaN-on-SiC技术方面，该公司处于领先地位。英特尔和MACOM是最活跃的射频GaN专利申请者，主要聚焦在GaN-on-Si技术领域。GaN射频HEMT相关专利领域的新进入者主要是中国厂商，如HiWafer（海威华芯）、三安集成和华进创威。
GaN-on-Si发展提速
虽然GaN-on-Si性能略逊于GaN-on-SiC，但硅基技术与CMOS工艺兼容，使GaN器件与CMOS工艺器件能很好地集成在一块芯片上。这使得GaN-on-Si成为市场的潜力股，未来有望大量导入5G基站PA。
GaN-on-Si器件具有击穿电压高、导通电阻低、开关速度快、零反向恢复电荷、体积小和能耗低、抗辐射等优势。理论上相同击穿电压与导通电阻下的芯片面积仅为Si的千分之一，目前能做到十分之一。
与传统LDMOS工艺相比，GaN-on-Si的性能优势很明显，它可提供超过70%的功率效率，将每单位面积的功率提高了4到6倍，并且可扩展至高频率。
与GaN-on-SiC相比，GaN-on-Si方案最大的优势就是衬底成本低，器件工艺能量密度高、可靠性高，也更容易向8英寸等大尺寸晶圆转移，以提升成本效益和投入产出比。此外，其与CMOS具有较好的兼容性，可以利用现有硅晶圆代工厂已有的规模生产优势，实现产品的规模量产和快速上市。而从应用发展角度来看，5G通信对射频元器件的需求正在快速增加过程中，需要大批量、低成本的GaN射频芯片，而这也给GaN-on-Si提供了发展契机。
作为挑战者，GaN-on-Si商用仍在起步阶段，有望提供经济高效和可扩展的解决方案，截至2021年第二季度，其市场容量很小，但这种PA凭借高带宽和小尺寸吸引了智能手机OEM。随着关键厂商的技术进步，一些低于6GHz的5G手机很可能很快采用。
最近，代工厂的进入，以及与新兴GaN-on-Si功率电子器件产业的协同效应正在加速其RF应用发展。有统计显示，在手持设备、国防和5G电信基础设施的推动下，预计到2026年，GaN-on-Si器件市场复合年增长率将达到86%。
厂商方面，Qorvo、Wolfspeed等传统大厂都倾向于采用GaN-on-SiC方案，使得该技术成为了目前市场的主流。但是GaN-on-Si凭借其先天优势，正在被越来越多的厂商采用。目前来看，MACOM, Ommic、三安光电，英诺赛科等厂商在重点研发基站用GaN-on-Si射频和功率芯片（包括Sub-6GHz和毫米波两大频段）。特别是MACOM，该公司是GaN-ON-Si工艺的主要倡导者。
5月中旬，意法半导体和MACOM宣布，RF GaN-on-Si原型芯片制造成功。据悉，意法半导体制造的RF GaN-on-Si原型晶圆和相关器件已达到成本和性能目标，完全能够与市场上现有的LDMOS和 GaN-on-SiC技术展开有效竞争。现在，这些原型即将进入认证测试和量产阶段，意法半导体计划在2022年实现这一重要目标。为此，该公司和MACOM已着手研究如何加大投入力度，以加快RF GaN-on-Si产品上市。
结语
相较于SiC在功率器件市场的如鱼得水，GaN在射频领域的应用更具优势，当然，GaN在功率应用领域同样有存在感，如近些年十分吸引眼球的、以GaN器件为核心的手机充电器。总体来看，GaN比SiC的应用领域更加广阔。 根据不同的衬底选择，GaN的应用会更加多样化，GaN-on-SiC基的性能更佳，但成本高昂，主要用于以基站为代表的大功率应用场景。
随着GaN应用的普及，特别是向手持式设备的RF模组渗透，其对性能的要求没有GaN-on-SiC那么高，但成本更加敏感，此时，GaN-on-Si的特点就凸显出来，其低成本和与CMOS工艺兼容性好的优势就具有了高权重，与以往相比，表现出了更广阔的发展前景。
