5G功率放大器大战开始

5G基站对功率放大器芯片和其他射频设备的需求正在增加，为不同公司和技术之间的摊牌奠定了基础。

功率放大器器件是提升基站射频功率信号的关键器件。它基于两种竞争性技术，硅基LDMOS或射频氮化镓(GaN)。氮化镓III-V技术优于LDMOS，使其成为5G高频需求的理想选择。但GaN成本高昂，在晶圆厂面临一些挑战。LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)有一些局限性，但它不会消失。

尽管如此,5克这是一个快速变化但复杂的市场。在供应链的一个环节，设备制造商在晶圆厂生产功率放大器等射频芯片。从那里，设备被运送到基站供应商进行集成。所谓的宏基站是位于蜂窝基站上的系统，它在大范围内提供射频无线覆盖。

上一代3G基站的功率放大器件一般都是基于LDMOS。LDMOS技术是成熟的廉价技术，在4G基站市场上占据了先机。随着时间的推移，GaN功率放大器在4G中取得了重大进展，代价是LDMOS。功率放大器是在基站和其他系统中将低功率射频信号转换为高功率信号的小型电路。功率放大器并不是基站中唯一的设备。这些其他设备基于不同的工艺。

尽管如此，基于gan的功率放大器在5G中也正在获得动力。与4G一样，中国的基站供应商在中国5G系统的初始部署中采用了基于gan的功率放大器设备。其他基站供应商也纷纷效仿。

这有几个原因。5G是比目前4G更快的下一代无线技术，目前正部署在两个不同的领域——sub-6GHz和mmWave (28GHz及以上)。一般来说，在较高的频率下，LDMOS会失去动力，这就需要GaN。与LDMOS相比，GaN具有更高的功率密度，并在更宽的频率范围内工作。

“5G基础设施对密集、小规模天线阵列的需求，导致射频系统的电源和热管理面临关键挑战。凭借其改进的宽带性能、效率和功率密度，GaN器件为解决这些挑战提供了更紧凑的解决方案的潜力。林的研究．

不过，LDMOS不会消失。一些移动运营商正在为5G部署低频和高频频段。LDMOS适用于较低频段。因此，GaN和LDMOS都将在5G中找到一席之地。Yole Développement分析师Ezgi Dogmus表示:“在宏观站点中，随着LDMOS在华为4G LTE基础设施设备上的广泛采用，GaN已逐渐从LDMOS手中夺走市场份额。”“在5G的6ghz以下频段，我们看到LDMOS和GaN在低功率有源天线系统方面的激烈竞争。GaN被应用于需要大带宽容量的频段。”

无论如何，数字是惊人的。据Yole称，到2025年，GaN RF市场总额将从7.4亿美元增加到20多亿美元，CAGR为12%。电信基础设施和军用雷达是射频GaN的主要驱动因素。另一个例子是，IBS首席执行官汉德尔·琼斯(Handel Jones)表示，中国在2019年建造了13万个5G基站，并计划在2020年再安装50万个。琼斯说，到2024年，中国的目标是部署600万套系统。日本、韩国、美国和其他国家也在大力推进5G。

数字并不能说明全部情况。在射频GaN中，还有其他动态，包括:

• GaN晶体管技术的特点是栅极长度为1μm及以上，尽管有些人正在开发90nm及以下的工艺。
• RF GaN供应商正在从100mm晶圆尺寸转向150mm晶圆尺寸以降低成本。
• 大多数射频GaN器件使用碳化硅(SiC)衬底。一些供应商正在为射频GaN开发具有竞争力的硅衬底。
• 美国和中国陷入了贸易战。许多美国芯片供应商被禁止向华为销售产品。目前还不清楚这一切将如何发展。

演进基站
今天的无线网络围绕着4G LTE标准，该标准的工作频段为450MHz至3.7GHz。4G速度快但很复杂。它由40多个频段组成，加上2G和3G频段。

4G LTE网络由三部分组成:核心网、无线接入网(RAN)和智能手机等终端用户设备。核心网由移动运营商运营，处理整个网络的全部功能。

RAN由巨大的发射塔组成，这是基站所在的位置。RAN基本上是一个中继系统，在给定的区域内有大量的基站。

基站本身由两个独立的系统组成，即建筑物基带单元(BBU)和远程无线电头(RRH)。BBU模块位于地面，负责射频处理功能。它是基站和核心网之间的接口。

RRH位于信号塔的顶部，由三个左右大的矩形盒子组成。天线装置安装在塔顶。RRH负责射频信号的转换，而天线则负责发射和接收信号。

在RRH盒内，有一组芯片，由发送和接收链组成。简单地说，单元接收数字信号。根据一家名为“一切射频”的技术网站，它被转换成模拟信号，上转换为射频频率，放大、滤波，然后通过天线发送出去。

“一个相对高端的LTE基站可能有四个发射机。在每座发射塔上，都将有四个功率放大器发送信号，捕捉数据并将数据发送给客户，”研究公司移动专家(Mobile Experts)的分析师丹·麦克纳马拉(Dan McNamara)说。“每座塔上都有三个。把它想象成一个派。根据信号从信号塔辐射出去的方式，每一个都处理一个特定的圆圈。所以，实际上有12个发射器。”

与此同时，运营商正在部署5G。与4G相比，5G有望提供延迟低10倍、吞吐量高10倍、频谱效率提高3倍的移动网络速度。“移动通信系统正在从4G迁移到5G，”中兴通讯研究员谢圣奇解释说日月光半导体他在ECTC最近的一篇论文中写道。“新的无线电(NR)频段分布在两个定义的频率范围(FR)，即FR1: 450MHz至6GHz和FR2: 24.25GHz至52.6GHz。提高性能的方向有大规模物联网(IoT)、低延迟、增强移动宽带(eMBB)等3个方面，分别用于大规模连接、超高可靠性和低延迟、容量增强。”

每个国家都有不同的5G战略。对于5G，中国使用的频率是3.5GHz。5G基站类似于4G系统，但规模要大得多。对于5G的sub-6GHz，假设你有一个宏基站。天线的功率等级从40瓦、80瓦或100瓦不等。

在RRH板上，有各种设备，如功率放大器、低噪声放大器(lna)、收发器等。射频过程很复杂，有几个步骤。“收发器是基带数字方面的东西。从这个收发器出来，(信号)进入射频。通常，您有某种类型的接收路径。对我们来说，这是基于gaas的。它也可以是硅基的。它基本上是LNAs，有一个开关，”Qorvo 5G基础设施客户总监詹姆斯·尼尔森解释道。“在这种情况下，我们在接收端制作的许多模块都是双通道的。这就是为什么你会在顶部和底部看到有效的两个功率放大器部分或传输部分。 They would be identical because this is a dual channel. Where GaN plays is in these amplifier blocks. The amplification can be done a lot of different ways.”

图1:宏观基站和天线的演变。来源:5G美洲

5G在其他方面有所不同。与4G中12个传输链不同，5G中有32或64个传输链。“5G的等效系统将在每个无线电中有32或64个功率放大器乘以3。这需要大量的材料，”移动专家的麦克纳马拉说。

下一步是将部分或全部RRH集成到天线中。这些集成基站利用大规模MIMO天线系统。采用微型天线，大规模MIMO通过波束形成技术与用户通信。

与此同时，在美国，5G是分散的。一些电信公司正在使用28GHz的毫米波频率部署更快的5G版本。今天，毫米波仅限于固定无线服务。这是一个充满各种挑战的利基市场。当运营商开始部署3.7GHz的c波段技术时，美国将开始大规模部署5G。c波段的时间尚不清楚。

GaN vs LDMOS
一般来说，5G基站将结合基于gan的功率安培用于更高频率。LDMOS也用于较低频段。

多年来，基站采用了基于LDMOS晶体管技术的功率放大器芯片。LDMOS晶体管是一个横向器件，类似于MOSFET。它有一个源头，一个闸门和一个排水管。

LDMOS与mosfet略有不同。LDMOS技术供应商Ampleon表示:“源端通过一个P+下沉器连接到晶圆背面，这使得晶圆背面成为晶体管的源端。”NXP和其他公司也销售LDMOS产品。

以硅为基础，LDMOS在200mm晶圆厂加工至0.14μm几何尺寸。LDMOS晶体管用于开发用于基站的标准Doherty功率放大器芯片。Doherty功率放大器架构有两个放大器部分，使系统效率高。

LDMOS仍在不断改进，但在2GHz以上的频率上可以说是碰壁了。从历史上看，GSM的频率是900MHz，然后是1.8GHz和2.1GHz。这些都是由LDMOS主导的传统频段，”Cree 's射频产品副总裁兼总经理Gerhard Wolf说Wolfspeed单位。“然后，你还有2.69GHz频段7和41，甚至更高。这是GaN来玩的时候。与LDMOS相比，GaN在较高频率下的效率更高。GaN在3.5GHz水平的效率更好。”

GaN是一种宽带隙技术，指的是电子脱离轨道所需的能量。GaN的带隙为3.4 eV，而硅为1.1 eV。

GaN器件比其他技术处理更大的功率和更好的特性。GaN还可以实现更高的瞬时带宽。这意味着系统中需要的放大器更少。

但射频GaN比LDMOS更昂贵。线性也是射频GaN的一个问题。这涉及到功率放大器放大信号而不失真的能力。

尽管如此，氮化镓被用于制造高电子迁移率晶体管(hemt)。GaN是材料，HEMT是器件结构。GaN HEMT是一种具有源、门和漏的横向器件。电流从源流到漏极，由栅极控制。

与LDMOS一样，射频GaN也被用于开发功率放大器芯片。例如，在最近的一篇论文中，住友介绍了基于gan的宽带Doherty放大器的发展。两级放大器由一个用于载波部分的GaN晶体管和两个用于峰值部分的晶体管组成。每个晶体管有一对180瓦的GaN芯片。

GaN并不新鲜。这可以追溯到20世纪70年代，当时RCA设计了一种基于gan的led。20年前，美国资助了用于军事/航空航天应用的GaN的发展。GaN还用于CATV放大器、led和功率半导体。

射频GaN市场在2014年开始起飞，当时华为在其4G基站中加入了基于GaN的功率放大器。当时，LDMOS主导了市场，但这种情况很快就改变了。恩智浦射频产品发布和全球分销经理Gavin Smith表示:“在最初的4G部署中，LDMOS技术是主要技术，确实主导了市场。”“几年过去了。随着4G开始衰落，GaN技术开始在下一代蜂窝基础设施中进行测试和尝试。我们看到了技术需求和需求的转变，并开始调整齿轮，为LDMOS和GaN解决方案的5G部署做好准备。”

与此同时，华为和其他公司一直在中国安装5G基站。与4G一样，中国的原始设备制造商也开始采用基于gan的功率放大器。其他基站oem厂商也纷纷效仿。

“LDMOS在5G FR1的高频段失去了动力。GaN-on-SiC是现在的选择。Wavetek，一个III-V代工的一部分联华电子．“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通信的关键之一。GaN-on-SiC RF适用于48V Doherty放大器，以实现5G基站中大功率放大器的高效率、高耐用性。”

LDMOS不会消失。中国的一些运营商正在部署低频5G频段。LDMOS可能在这里发挥作用。

然后，如果或当行业迁移到成熟的毫米波5G网络时，运营商还可能部署一系列小型蜂窝基站。有几种技术可以用于小型电池。Lin说:“硅基gan射频已被证明是28V或48V小型电池功率放大器的非常合适的候选者。”“GaN器件可以在5G FR2应用的毫米波波段中为未来的MMIC TRX和功率放大器提供非常宽的频带、高效率和低噪声性能。”

使氮化镓
首批5G基站部署完成。现在，设备制造商正在开发新的基于gan的功率放大器芯片，希望抓住下一波5G基站部署的机会。Cree、富士通、三菱、NXP、Qorvo、住友等在射频GaN器件市场上竞争。Yole分析师Ahmed Ben Slimane表示:“此外，在中美贸易战之后，许多中国公司正试图在内部开发用于5G基础设施的GaN RF，而一些美国公司已经失去了市场份额。”

在最近的IMS2020会议上，各种实体发表了关于RF GaN下一步发展的论文。其中包括:

• 夫琅和费演示了一个工作频率超过200GHz的G-Band GaN功率放大器。
• NXP介绍了一款300W GaN功率放大器，效率为65%。
• Qorvo公布了最新的90nm GaN工艺。GaN晶体管的峰值PAE为51%。
• HRL开发了分级通道GaN HEMTs, PAE为75%。

射频GaN在不断改进，但相对昂贵。提高效率是另一个挑战。有时，GaN会遭受所谓的动态导通电阻。

作为回应，RF GaN供应商正在通过迁移到更大的晶圆尺寸，改善晶圆厂的工艺流程等步骤来降低成本。

如上所述，GaN HEMT是具有源、门和漏的横向器件。根据Qorvo公司的说法，栅极长度决定了设备的速度。一个更小的门意味着一个更快的设备。“电压随栅极长度而变化。当栅极的几何形状越小，电压的波动就越小，这就限制了你的供电能力。”Qorvo的Nelson说。

在射频GaN中，最先进的栅极长度为90nm。供应商主要提供栅极长度为0.15 μ m至0.5 μ m的RF GaN芯片。

每种技术都有自己的位置。“0.15微米是最先进的工艺之一。我们也有更高频率的过程。”“你不会在3.5GHz基站上使用0.15微米的GaN工艺。你不需要那种类型的几何功率水平和频率。我们有一个0.5微米的工艺，它将是65伏的能力。雷达人员喜欢它。并不是所有人都想调到65伏。然后，我们有另一个进程，目标是48伏，这对基站来说很常见。然后，你有0.15微米的版本，可以在28到20伏之间。”

尽管如此，在晶圆厂，RF GaN工艺始于衬底的开发。RF GAN的主要衬底是SiC (GAN -on-SiC)。RF GaN的SiC衬底基于100mm晶圆，目前正在生产150mm晶圆。

GaN-on-SiC有其优点和缺点，它具有较高的导热系数，但SiC衬底在生产阶段容易出现缺陷。基材很贵。

其他人正在研究硅衬底或硅上gan，这可以在200mm晶圆厂生产。200mm的晶圆可以有更多的模具，这降低了制造成本。

Cree/Wolfspeed的首席技术官John Palmour说:“我保守地说，95%的市场是碳化硅上的GaN。“GaN-on-silicon背后的想法是，这种衬底很便宜，但硅的热导率只有碳化硅的三分之一。要去除热量就难多了。为了弥补这一点，你必须让GaN-on-silicon的器件更大。你并不是真的在成本上取胜。”

最终，每种技术都会有自己的一席之地。Lam的Haynes表示:“GaN-on-SiC将专注于最高功率和性能的应用，而GaN-on-silicon将解决对成本更敏感的应用。”“这是因为GaN-on-silicon提供了CMOS兼容性的承诺，能够利用更大的晶圆尺寸和更先进的晶圆制造技术，并将GaN技术与多芯片模块中的其他解决方案集成。”

无论衬底类型如何，下一步是使用金属有机化学气相沉积(金属)系统。

首先，在衬底上生长缓冲层，接着是通道层，然后是屏障。将电子从源传输到漏极的通道是基于GaN的。

据Qorvo介绍，缓冲层是基于掺杂碳或铁的GaN材料，可以防止电子进入衬底。基于氮化铝镓(AlGaN)的势垒将栅极和通道隔离开来。

该公司产品营销高级经理Ronald Arif表示:“顶层通常是一层薄薄的GaN层，下面覆盖几微米厚的GaN层，形成高速导电通道所必需的2D电子气体。Veeco．“通过MOCVD生长GaN-on-SiC是一个成熟的工艺。由于成本和集成的原因，业界更喜欢在硅衬底上生长GaN材料。但这在材料质量、均匀性和缺陷方面提出了重大挑战。”

尽管如此，下一步是在器件的顶部形成一个源极和漏极。然后，在结构上沉积一层氮化硅。

形成星门是下一步。在设备上，蚀刻系统蚀刻出一个小开口。金属沉积在开口中，形成闸门。

栅极蚀刻工艺有效。但有时，这一过程会对GaN表面的底部和侧壁造成损坏。

因此，供应商正在探索使用原子层蚀刻(ALE)为GaN。ALE在原子尺度上去除材料，但这是一个缓慢的过程。因此，ALE可以与传统的GaN蚀刻工艺结合使用。

Lam的Haynes说:“这可能需要一套蚀刻工艺，以解决GaN HEMT和MIMIC制造的独特挑战。”“这些包括使用ALE来实现原子精度，超低损伤和GaN/AlGaN结构的高选择性蚀刻。使用这种方法，与传统的稳态蚀刻工艺相比，我们已经证明了蚀刻后GaN片电阻降低了2倍，表面粗糙度相当于沉积的外延薄膜。这些改进对提高设备性能和可靠性有直接影响。”

最后，对基材进行减薄，并对底部进行金属化处理。根据Qorvo的说法，在基板的顶部和底部之间形成了通孔，这降低了电感。

结论
与此同时，多年来，供应商一直在谈论将GaN用作智能手机的电源放大器。今天的手机使用砷化镓(GaAs)工艺作为功率放大器。

GaN对于智能手机来说太贵了。另一方面，GaN在其他几个市场正在获得吸引力，使其成为众多值得关注的技术之一。

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