5G通信基站用化合物半導(dǎo)體射頻器件應(yīng)用場景及發(fā)展

王強(qiáng) 宋學(xué)峰

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

中國移動啟動5G 預(yù)約之后，中國聯(lián)通和中國電信也啟動了5G的線上預(yù)約，截止目前，預(yù)約用戶已破千萬，商用進(jìn)程繼續(xù)加快。我國Sub-6GHz 頻段5G 于2020年實(shí)現(xiàn)商用，5G 毫米波預(yù)計(jì)在2022年后實(shí)現(xiàn)商用。作為5G 通信基礎(chǔ)支撐的中高頻器件的成熟是5G 通信產(chǎn)業(yè)成熟的基礎(chǔ)，隨著5G 產(chǎn)業(yè)的日趨火熱，核心元器件的研發(fā)更是邁上加速的步伐，本文對化合物半導(dǎo)體射頻器件在5G 基站應(yīng)用中的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展進(jìn)行簡要論述。

1 化合物半導(dǎo)體在5G基站中的應(yīng)用場景淺析

目前，較為成熟的化合物半導(dǎo)體主要包含GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）GaN（氮化鎵）等[1-2]，各種半導(dǎo)體以其各自特點(diǎn)形成不同特性的器件，GaN 更是以其寬禁帶、大功率特性成為近幾年研究及產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)?；衔锇雽?dǎo)體在5G 基站中的應(yīng)用場景示意如圖1所示。

GaAs 材料具備適中的禁帶寬度、電子遷移率，且工藝技術(shù)成熟，除在中頻段大量應(yīng)用于終端功放及微基站（GaAs HBT 器件）外，適于100GHz 以內(nèi)5G 中高頻段低噪聲放大器的研發(fā)[3]。GaAs E-PHEMT 在5G 中高頻段低噪聲放大器優(yōu)勢明顯，GaAs PHEMT在5G 高頻段中功率基站放大器方向，也可有不錯的表現(xiàn)[4]，但在大功率放大器較GaN 工藝無優(yōu)勢；GaAs PIN 工藝可開發(fā)較高速度、小插損開關(guān)，但與Si RF-SOI 工藝比較無技術(shù)優(yōu)勢。當(dāng)前GaAs 工藝多采用6 英寸制程，具備成熟的材料外延技術(shù)，成本處于中等水平。

圖1：化合物半導(dǎo)體在5G 基站中的應(yīng)用場景示意

InP 材料具備超高的電子遷移率，高頻性能優(yōu)勢明顯[5]。InP HBT 工藝國外SkyWorks 等公司正在開展研究用于5G 中高頻段終端功率放大器。InP HEMT 因其材料高的電子遷移率，在毫米波至THz 低噪聲放大器有明顯優(yōu)勢，或在后5G 時代能有所應(yīng)用。不論是InP HBT 還是InP HEMT，目前制程在3～4 英寸，批產(chǎn)能力相對GaAs 弱勢。而GaAs MHEMT 是在GaAs 襯底上進(jìn)行InP 外延，既保留了InP 的優(yōu)良頻率特性，又能將襯底增至6 英寸，國際上GaAs 上InP 外延技術(shù)已有突破性進(jìn)展[6]。

GaN 材料具備高的禁帶寬度，良好的熱導(dǎo)率，適合進(jìn)行高壓、大功率器件的研制，在5G 基站用功率放大器方向由其是中頻段大功率領(lǐng)域?qū)⒕邆錈o可替代的地位[7-8]。SiC 上GaN 襯底成本較高，制程為4～6 英寸。此外，Si 上GaN 是在Si 襯底上進(jìn)行GaN 外延，既保留了GaN 的優(yōu)良功率特性，又能將襯底增至Si 基水平，成本有優(yōu)勢但熱導(dǎo)率有所下降，影響其適用范圍。在高頻段，將功放、開關(guān)、低噪放一體集成，形成GaN 多功能前端芯片，是目前隨應(yīng)用牽引出現(xiàn)的新研究方向[9]?；衔锇雽?dǎo)體在5G 基站中的應(yīng)用場景如表1所示。

表1：化合物半導(dǎo)體在5G 基站中的應(yīng)用場景

2 基站用化合物半導(dǎo)體國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，境外具備生產(chǎn)制備GaAs 器件及芯片的工藝能力的主要廠家有：Skyworks、MACOM、Qorvo、Avago、WIN（穩(wěn)懋半導(dǎo)體）、AWSC（宏捷科技）等, 其中穩(wěn)懋半導(dǎo)體、宏捷科技是專注于GaAs工藝制造代工服務(wù)的公司，且均已發(fā)展四代以上，Skyworks、Qorvo、Avago、MACOM 等公司具備GaAs HBT 微基站功放及低噪聲放大器的深厚研制基礎(chǔ)，目前集中于Sub-6GHz，已發(fā)布多款中頻段開關(guān)低噪放模組或低噪聲放大器，其中開關(guān)多采用Si SOI 方案，低噪放多采用GaAs 工藝[10]。

國內(nèi)具備GaAs 相關(guān)技術(shù)的主要廠家主要有廈門三安、成都海威華芯、中國電科等，其中廈門三安、成都海威華芯是具備GaAs工藝制造代工服務(wù)的公司，目前廈門三安具備一定的GaAs HBT 功放代工能力，部分廠家具備GaAs 低噪放器件研制生產(chǎn)能力，開關(guān)低噪放模組處于小批量階段。

在GaN 方面，美國CREE 公司的SiC 襯底材料占據(jù)了全球市場份額的50%以上，4 英寸及6 英寸SiC 襯底相對成熟，另外IIVI、Dow Corning、Rohm 和昭和電工也占據(jù)較大份額。對于GaN器件，國外知名公司（如Cree、Sumitomo、Qorvo、MACOM、RFHIC 等）均有成熟產(chǎn)品，韓國RFHIC 在6GHz 以內(nèi)功率放大器委托Cree代工，MACOM公司收購Nitronex進(jìn)行Si上GaN產(chǎn)品開發(fā)。目前國外5G 中頻段GaN 器件已批量供貨且占據(jù)大部分市場[11]。

有別于4G 以前基站用射頻功率器件完全被國外壟斷的被動局面，在當(dāng)前階段，由于第三代半導(dǎo)體的提前布局，國內(nèi)GaN 技術(shù)發(fā)展并未滯后較多，SiC 襯底方面，環(huán)節(jié)有山東天岳、天科合達(dá)已在4 英寸實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，GaN 材料外延環(huán)節(jié)主要有蘇州晶湛、江西晶能、東莞中鎵、中國電科等，GaN 器件方面，三安光電、蘇州能訊、中國電科均有布局，在5G 中頻段GaN 器件有望取得產(chǎn)業(yè)化突破。

以上主要簡要描述了中頻段化合物發(fā)展情況，在毫米波高頻段方面，隨著標(biāo)準(zhǔn)的推動，方案還未明確，目前射頻方案主要包含全集成與半集成兩種覆蓋低/中/大功率場景，全集成的射頻方案主要通過Si 或SiGe 射頻通道全集成實(shí)現(xiàn)，為低功率方案；半集成的射頻方案，主要通過GaAs/GaN 的前端（功放、開關(guān)、低噪放）+Si 幅相集成電路，分別對應(yīng)中/大功率方案，在同樣的EIRP 指標(biāo)下，通過較少的通道數(shù)、較大的單通道發(fā)射功率、較寬的波束寬度實(shí)現(xiàn)，有望在室外或者長距離覆蓋場景降低成本。

毫米波中/大功率場景方面，GaAs 方案在性能及經(jīng)濟(jì)綜合性方面不具備優(yōu)勢逐步處于弱勢，近期MACOM 發(fā)布了27.5-30GHz的4W 功率放大器，采用了GaAs 全鈍化工藝以提高可靠性。GaN高頻方面國外主要研究單位有Qorvo、OHMIC、MACOM 等，其中Qorvo 發(fā)布多款39GHzGaN 前端多功能芯片產(chǎn)品，將功放、開關(guān)、低噪放進(jìn)行片上集成，OHMIC 在此頻段重點(diǎn)開發(fā)Si 上GaN工藝，并有28GHz GaN 前端多功能芯片報(bào)道。國內(nèi)中國電科具備高頻GaN 研制能力，并在進(jìn)行前端樣品研發(fā)[12-13]。

3 基站用化合物半導(dǎo)體發(fā)展機(jī)遇、問題及建議

5G 應(yīng)用方面，因其相控陣架構(gòu)需要，對元器件的需求量大幅增長，必然帶動化合物半導(dǎo)體的快速發(fā)展。以GaN 為例，根據(jù)愛爾蘭Fact.MR 公司發(fā)布研究報(bào)告預(yù)測，2017 ～2026年，氮化鎵（GaN）射頻器件市場將以18.4%的復(fù)合年增長率增長，市場規(guī)模將在2026年底超過15 億美元，通信仍將是主要應(yīng)用，無線基礎(chǔ)設(shè)施將成為GaN RF 器件中利潤最豐厚的應(yīng)用。

然而，從國內(nèi)外發(fā)展來看，我國化合物半導(dǎo)體存在如下幾個問題或差距：

（1）在GaAs 方面，國外已深耕多年，國內(nèi)雖有產(chǎn)品跟隨，但響應(yīng)速度及盈利能力具備差距；

（2）SiC 襯底方面，4 英寸生長質(zhì)量及產(chǎn)能需提升，同時6 英寸大尺寸技術(shù)有差距；

（3）GaN 工藝及器件方面，技術(shù)雖未落后較多，但產(chǎn)業(yè)化能力差距大，另外在中頻段高集成模組、高頻段功放及模組方面布局及投入有限。

針對以上分析，本文提出幾點(diǎn)發(fā)展建議：

（1）加大投入力度，聚焦扶強(qiáng)，重視產(chǎn)業(yè)能力提升。針對具備產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景的核心企業(yè)和重點(diǎn)項(xiàng)目聚焦扶強(qiáng)，加大對5G 中高頻化合物襯底、工藝、器件產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的支持力度，地方財(cái)政對相關(guān)領(lǐng)域加大投入，推動基金等資源向5G 中高頻器件相關(guān)企業(yè)傾斜。

（2）促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟建立，推動應(yīng)用帶動作用。促進(jìn)建立材料、器件、封裝、應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟，推動設(shè)備制造商的應(yīng)用帶動作用，落地中頻布局高頻。建立健全政府、企業(yè)、行業(yè)組織和產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟等協(xié)同推進(jìn)機(jī)制，加強(qiáng)在技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)推進(jìn)等方面的協(xié)調(diào)配合。

（3）提前部署，加強(qiáng)基礎(chǔ)元器件接續(xù)研發(fā)能力。推動明確5G高頻段頻率規(guī)劃方案，為國內(nèi)企業(yè)發(fā)展5G 高頻器件指明方向，激勵引導(dǎo)企業(yè)的5G 高頻器件研發(fā)和創(chuàng)新。

（4）鼓勵創(chuàng)新，推進(jìn)國際合作，拓寬海外市場渠道。鼓勵自主創(chuàng)新，獲得知識產(chǎn)權(quán)主動權(quán)，推動國內(nèi)企業(yè)積極參與技術(shù)引進(jìn)、知識產(chǎn)權(quán)合作、跨國并購等國際合作，鼓勵骨干企業(yè)加大海外布局力度，推動設(shè)立海外研發(fā)中心、銷售網(wǎng)絡(luò)，拓寬海外市場渠道，提高國際市場拓展能力。

4 結(jié)論

本文針對5G 商用化進(jìn)程對化合物射頻元器件的需求，從當(dāng)前較為成熟的各類化合物半導(dǎo)體器件特性出發(fā)，分析了其在基站中的應(yīng)用場景，敘述了化合物半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)品國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，基于此梳理了問題及差距，最后針對性的提出五點(diǎn)發(fā)展建議，為化合物半導(dǎo)體射頻器件在5G 領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。