高效率GaN器件助力構(gòu)建5G通信新業(yè)態(tài)

趙樹(shù)峰 向賀玲

5G通信作為國(guó)家戰(zhàn)略之一，關(guān)系到未來(lái)數(shù)十年國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，將推動(dòng)國(guó)家整體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。5G技術(shù)具備高傳輸速度、數(shù)據(jù)大吞吐量、低時(shí)延等特性，為社會(huì)及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供基礎(chǔ)平臺(tái)和技術(shù)前提，5G產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展將帶動(dòng)我國(guó)通信設(shè)備產(chǎn)業(yè)、智能終端產(chǎn)業(yè)、信息服務(wù)行業(yè)取得突破性進(jìn)展，促進(jìn)我國(guó)高科技技術(shù)的快速發(fā)展。與此同時(shí)，5G在帶來(lái)巨大發(fā)展前景之時(shí)，還面臨著頻譜資源有限、核心技術(shù)缺失、運(yùn)營(yíng)商資本支出倍增等諸多挑戰(zhàn)。一方面，5G時(shí)代，由于頻段提升，宏基站覆蓋半徑有所縮減，宏基站建設(shè)數(shù)量比4G略有提升，5G基站量將是4G基站數(shù)量的2倍；而隨著毫米波的引入，電波穿透力較差，微基站數(shù)量會(huì)大幅增加。基站的大規(guī)模建設(shè)，給國(guó)內(nèi)光模塊、天線、光纖光纜等通信設(shè)備產(chǎn)業(yè)帶來(lái)發(fā)展機(jī)會(huì)。另一方面，5G通信作為我國(guó)與全球第一次同步研發(fā)的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，讓我國(guó)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和通信設(shè)備企業(yè)迎來(lái)了產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和超越的市場(chǎng)機(jī)遇期。

據(jù)業(yè)界報(bào)道，到2030年，5G將帶動(dòng)我國(guó)直接經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出6.3萬(wàn)億元，間接產(chǎn)出10.6萬(wàn)億元（見(jiàn)圖1）。同時(shí)創(chuàng)造800萬(wàn)個(gè)直接就業(yè)機(jī)會(huì)，1 150萬(wàn)個(gè)間接就業(yè)機(jī)會(huì)（見(jiàn)圖2）。

1 5G通信技術(shù)發(fā)展前景

隨著5G通信裝備在商用領(lǐng)域的不斷發(fā)展和日漸需求，賽迪智庫(kù)無(wú)線電管理研究所發(fā)布了《5G十大細(xì)分應(yīng)用場(chǎng)景研究報(bào)告》，引起了行業(yè)界的廣泛關(guān)注。4G與5G通信在系統(tǒng)性能指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)方面對(duì)比如下：

①數(shù)據(jù)傳輸速率方面，5G峰值速度為10～20Gbps，相比4G提升了10～20倍。

②5G流量密度目標(biāo)值為10 Tbs/km2，比4G提升了100倍。

③用戶(hù)體驗(yàn)速率將達(dá)到0.1～1 Gbps，比4G提升了10～100倍。

④頻譜效率方面，5G相對(duì)于4G提升了3～5倍。

⑤端到端實(shí)驗(yàn)方面，5G每平方公里可聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量最高達(dá)100萬(wàn)個(gè)。

⑥移動(dòng)性方面，5G支持時(shí)速達(dá)到500km/h，比4G提升了1.43倍。

2 氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體材料優(yōu)勢(shì)

氮化鎵（GaN）作為第3代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表之一，相較于以第1代硅（Si）和第2代砷化鎵（GaAs）等，具有高工作電壓、高工作頻率、高效電能轉(zhuǎn)化、耐高工作溫度等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)高質(zhì)量射頻微波產(chǎn)品、高效率電力電子產(chǎn)品以及新型半導(dǎo)體照明技術(shù)等產(chǎn)品領(lǐng)域的“核芯”。GaN在信息、能源、交通、國(guó)防等應(yīng)用領(lǐng)域具有不可替代的“核芯”作用，也將逐漸成為新一代5G信息新技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)元素。

射頻器件是無(wú)線通訊設(shè)備的核心和基礎(chǔ)性零部件，特別是新一代5G系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的Si以及GaAs半導(dǎo)體相比，氮化鎵具有更好的材料物體特性，特別是禁帶的寬度，非常適合制備射頻功率放大器件，實(shí)現(xiàn)高功率密度、高頻、大寬帶、高效率等射頻性能（見(jiàn)表1）。對(duì)于5G技術(shù)而言，GaN將成為最適合功率放大器的材料，而隨著5G在毫米波頻段的應(yīng)用，GaN可實(shí)現(xiàn)減少系統(tǒng)鏈路通道數(shù)、最小化陣列尺寸、降低功耗以及系統(tǒng)成本的優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)通信在功放領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵材料之一。

3 國(guó)際GaN技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

GaN射頻器件在新一代5G通信中的應(yīng)用前景被全球主流的元器件供應(yīng)商所認(rèn)可，全球知名的半導(dǎo)體器件供應(yīng)商均有涉足GaN業(yè)務(wù)。當(dāng)前，世界不少?lài)?guó)家都在開(kāi)發(fā)GaN技術(shù)研究，準(zhǔn)備為2030年重點(diǎn)戰(zhàn)略規(guī)劃項(xiàng)目，大力推動(dòng)GaN技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。以美國(guó)的科銳公司和日本的住友公司為代表的美日企業(yè)在產(chǎn)業(yè)化方面走在國(guó)際前列，荷蘭恩智浦（NXP）公司、德國(guó)英飛凌（INFINEON）科技公司、美國(guó)飛思卡爾半導(dǎo)體（Freescale Semiconductor）公司等因其在橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位，在GaN領(lǐng)域內(nèi)也不可忽視。但隨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)的變化，半導(dǎo)體行業(yè)的巨頭通過(guò)兼并重組的方式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合以提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，其中以威訊聯(lián)合半導(dǎo)體有限公司（RF Micro Devices，RFDM）與超群半導(dǎo)體公司（Triquint）合并成立的Qorvo公司在GaN高頻技術(shù)方面走的最為成功。并且第3代半導(dǎo)體射頻電子器件在民用市場(chǎng)和軍用市場(chǎng)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。在民用市場(chǎng)，GaN射頻器件在5G通信領(lǐng)域需求顯著。據(jù)歐盟預(yù)測(cè)，到2020年，5G通信將在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)商用，而GaN射頻器件是5G通信時(shí)代高效率、超寬帶、小體積的通信基站的核心技術(shù)。5G通信的數(shù)據(jù)流量需求將是現(xiàn)有技術(shù)流量的1 000倍以上，屆時(shí)對(duì)GaN射頻器件的使用量將為現(xiàn)有技術(shù)的100倍以上。在軍用市場(chǎng)，GaN射頻器件需求快速增長(zhǎng)，僅戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)對(duì)GaN射頻功率模塊的需求就將達(dá)到7 500萬(wàn)個(gè)。目前，美國(guó)海軍新一代干擾機(jī)吊艙及空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)AMDR已采用GaN射頻功放器件替代GaAs器件，極大減小了設(shè)備體積，提高了系統(tǒng)效率。

根據(jù)優(yōu)樂(lè)（YOLE）數(shù)據(jù)顯示，2015年GaN主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)防軍工、有線電視系統(tǒng)等，其中無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)防軍工占去90%。根據(jù)目前技術(shù)水平，大規(guī)模將GaN運(yùn)用到手機(jī)上仍是不現(xiàn)實(shí)的。但與GaAs和磷化銦（InP）等材料的高頻工藝相比，GaN器件具備更大的輸出功率；與LDMOS功率工藝相比，GaN的頻率特性更好。因此隨著GaN功放技術(shù)的成熟，射頻工藝或?qū)l(fā)生巨大變革。目前，約10%的通信基站采用GaN技術(shù)，占GaN射頻器件50%以上的市場(chǎng)。5G通信頻率未來(lái)最高可達(dá)85GHz，根據(jù)半導(dǎo)體材料的物理特性，在該頻段GaN材料占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。根據(jù)StrategyAnalytics的預(yù)測(cè)，隨著5G市場(chǎng)的正式啟動(dòng)，2020年射頻GaN市場(chǎng)可達(dá)6.89億美元。

另外，5G通信的發(fā)展，新一代通信系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)和滿(mǎn)足更多的頻段和制式。例如，手機(jī)設(shè)計(jì)的空間有限，同時(shí)要滿(mǎn)足性能的需求，就需要不同頻率的射頻前端進(jìn)行集成。其中射頻前端集成中主要的核心元器件—射頻功率放大器直接決定了手機(jī)無(wú)線通信的距離、信號(hào)質(zhì)量，甚至待機(jī)時(shí)間，是整個(gè)射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。同時(shí)，與4G手機(jī)相比，5G時(shí)代手機(jī)內(nèi)的射頻功率放大器或多達(dá)16顆之多，是4G手機(jī)的2倍還多。因此，5G時(shí)代射頻前段的變革性發(fā)展，也給GaN技術(shù)帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。

4 國(guó)內(nèi)GaN技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

面對(duì)紛繁復(fù)雜的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)，國(guó)內(nèi)的GaN半導(dǎo)體技術(shù)企業(yè)正在針對(duì)GaN關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了積極的產(chǎn)業(yè)化制備，多家研究所也對(duì)GaN技術(shù)進(jìn)行了積極的探索與積累，逐層突破技術(shù)瓶頸，建立完善的技術(shù)壁壘和專(zhuān)有技術(shù)，打破國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)GaN半導(dǎo)體技術(shù)有望在2020年5G通信市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)突破，建立我國(guó)在GaN技術(shù)領(lǐng)域的話(huà)語(yǔ)權(quán)和專(zhuān)屬權(quán)。

在GaN射頻器件的通信應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)已經(jīng)擁有了多家GaN射頻產(chǎn)品試生產(chǎn)企業(yè)，并且也陸續(xù)推出了系列的GaN射頻產(chǎn)品，逐漸在填補(bǔ)著國(guó)內(nèi)GaN技術(shù)的空白。其中，蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“能訊”）專(zhuān)注于GaN技術(shù)，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)12年的研究及產(chǎn)業(yè)化之路，采用垂直整合制造（IDM）的商業(yè)模式，已經(jīng)自主實(shí)現(xiàn)氮化鎵外延材料制備、器件設(shè)計(jì)、工藝制造、封裝及可靠性驗(yàn)證、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)等全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)，累計(jì)在氮化鎵領(lǐng)域申請(qǐng)專(zhuān)利近300件，其我國(guó)內(nèi)授權(quán)專(zhuān)利達(dá)到200余件，并通過(guò)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)貫標(biāo)體系，逐步建立完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系，在Sub6GHz實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)品的覆蓋，無(wú)論在技術(shù)還是產(chǎn)業(yè)化制備能力都走在國(guó)內(nèi)GaN射頻業(yè)務(wù)的前列。同時(shí)也通過(guò)了國(guó)內(nèi)以及國(guó)際質(zhì)量體系的認(rèn)證。能訊相關(guān)Sub6GHz GaN功放管在國(guó)內(nèi)一流通信設(shè)備供應(yīng)商的測(cè)試評(píng)估過(guò)程，獲得了國(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)指標(biāo)，為我國(guó)5G通信裝備的構(gòu)建提供技術(shù)保障。

為了適應(yīng)GaN功放芯片在Massive MIMO的應(yīng)用要求，實(shí)現(xiàn)基站高效率和小型化等特點(diǎn)，能訊開(kāi)展了GaN多芯片模組（Multichip Module MCM）的開(kāi)發(fā)，在保證高性能的同時(shí)，兼顧核心芯片供應(yīng)鏈的安全性以及產(chǎn)品性能可靠性。

在毫米波GaN單片微波集成電路（M M I C）領(lǐng)域能訊也進(jìn)行了積極的技術(shù)布局以及產(chǎn)能布局，公司采購(gòu)了國(guó)際先進(jìn)的0.1μm工藝光刻機(jī)，組建了研究團(tuán)隊(duì)，為實(shí)現(xiàn)高效率的毫米波M M I C芯片提供研究基礎(chǔ)。

另外，國(guó)內(nèi)還有國(guó)家研究所機(jī)構(gòu)以及高校正在大量從事GaN技術(shù)的研發(fā)，例如：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所是國(guó)內(nèi)從事GaN微波功率器件研制主要單位，研究?jī)?nèi)容涵蓋理論研究、外延材料、器件研制、工藝開(kāi)發(fā)、管殼研制及模擬仿真等方向，具備系統(tǒng)研制GaN微波功率器件及MMIC的技術(shù)基礎(chǔ)，研制了多項(xiàng)GaN射頻器件，并已經(jīng)在客戶(hù)端進(jìn)行試用。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等研究機(jī)構(gòu)，在材料生長(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)、器件工藝、可靠性機(jī)理與表征、器件模型、功放設(shè)計(jì)等方面有深厚的研究基礎(chǔ)?？蒲性核案咝５那把丶夹g(shù)研究?jī)?yōu)勢(shì)，將對(duì)解決項(xiàng)目相關(guān)難題、提高產(chǎn)品性能指標(biāo)有著非常重要的意義。中興通訊股份有限公司是全球領(lǐng)先的綜合通信解決方案提供商，近幾年已經(jīng)著手研究GaN射頻功率器件在移動(dòng)通信基站中的應(yīng)用，先后與多家GaN公司合作研究GaN功放在通信領(lǐng)域的應(yīng)用，并且針對(duì)新一代5G系統(tǒng)的研究也取得了很大成就。

5 結(jié)語(yǔ)

得益于國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃在氮化鎵功放領(lǐng)域的技術(shù)支持和牽引，氮化鎵功放技術(shù)獲得了更多國(guó)家及地方政策的支持，國(guó)內(nèi)從事GaN技術(shù)研究的高校、研究院所、企業(yè)以及下游應(yīng)用單位能夠通過(guò)項(xiàng)目的牽引，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研用各領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展。在促進(jìn)上游材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)及產(chǎn)業(yè)化提升的同時(shí)，也推動(dòng)了下游通信設(shè)備商產(chǎn)品的更新，項(xiàng)目的所產(chǎn)生的外延制備、芯片設(shè)計(jì)、工藝制備等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)將直接應(yīng)用于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。而同下游通過(guò)項(xiàng)目的合作將有助于器件廠商更深刻的理解下游設(shè)備商的需求，直接促進(jìn)新產(chǎn)品的導(dǎo)入，通過(guò)項(xiàng)目合作實(shí)現(xiàn)商業(yè)合作，共同促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

基站是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)，而射頻功放是基站的核心元器件，高效率的GaN器件將隨著5G建設(shè)浪潮而迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)會(huì)，加強(qiáng)上下游的深度合作，將助力于我國(guó)在5G通信領(lǐng)域取得更多的話(huà)語(yǔ)權(quán)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的共贏。