关于PA主流技术--GaN的性能分析和应用

如今，电子业正迈向4G的终点、5G的起点。 后者发展上仍有不少进步空间，但可以确定，新一代无线电网络势必需要更多组件、更高频率做支撑，可望为芯片商带庞大商机--特别是对RF功率半导体供货商而言。 对此，市研机构Yole于7月发布「2017年RF功率市场与科技报告」指出，RF功率市场近期可望由衰转盛，并以将近二位数的年复合成长率(GAGR)迅速成长；同时，氮化镓(GaN)将逐渐取代横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)，成为市场主流技术。

拜电信基站升级、小型基地台逐渐普及所赐，RF功率市场可望脱离2015年以来的低潮，开始蓬勃发展--报告指出，整体市场营收到2022年底则有望暴增75%之多，2016~2022年间CAGR将达9.8%；其中，占电信基础设施近一半比重的基站、无线回程网络等相关组件，同一时段CAGR各为12.5%、5.3%。 再者，鉴于效能较高、体积较小且稳定性较佳，砷化镓(GaAs)、GaN等固态技术将在国防应用上逐渐取代真空管，提供RF功率组件更多发展机会。 Yole预期，此部分营收至2022年将成长20%，2016~2022年间CAGR达4.3%。

技术方面，受与日俱增的信息流量、更高操作频率与带宽等需求驱使，GaN组件使用越来越普遍，正于电信大型基站、雷达/航空用真空管与其它宽带应用上取代LDMOS组件，现已占据整体20%营收以上。 针对未来网络设计，Yole表示，GaN之于载波聚合(CA)、多输入多输出(MIMO)等新科技，效能与带宽上双双较LDMOS具优势。 此外，得力于在行动网络产业发展得当，GaAs技术已成熟到能进入市场，可望在国防、有线电视等应用上稳占一席之地。

此报告估计，GaN将于未来5~10年成为3W以上RF功率应用的主流技术，GaAs基于其稳定性与不错的性价比，也得以维持一定比重；至于LDMOS部分则将继续衰退，市场规模跌至整体15%，然考虑到其高成熟性与低成本等，短期内在RF功率市场仍不至面临淘汰。

络达科技技术长林珩之表示，5G基地台的功率放大器将会以砷化镓与氮化镓制程为主，因其是功率主导(Power Handle)，并以表现度为主要衡量指针。 但这样的制程需更多的校准(Calibration)程序，成本会比较高。 不过，基地台的整体数量相较于手机应用是比较少的，因此即便其成本略高，仍在客户能接受的范围内。

林珩之指出，功率主导的特性，更将促使氮化镓比砷化镓来得更有优势，因频率更高，往往得靠氮化镓才有办法做到。 到了5G时代，氮化镓将很有机会取代横向扩散金属氧化物半导体(Lateral Diffused MOS, LDMOS)。

而在手机功率放大器部分，目前2G是以互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程为主，3G、4G则是砷化镓制程，5G因为高频的关系，络达十分看好氮化镓制程，该技术同时还能让电压撑得更久。

林珩之分析，未来5G时代，手机功率放大器采用的半导体制程，预估将会是砷化镓/氮化镓占一半、CMOS占一半。 小于6GHz频段的半导体技术，会是以砷化镓与氮化镓制程为主，因天线与电磁波的波长是成正比的，且高频的天线比较大，也就须采用高功率的技术来达成，因此很有机会变成砷化镓与氮化镓制程的天下。

林珩之进一步指出，氮化镓制程有办法支撑很高的功率，这是CMOS无法做到的。 除非5G技术有办法运用小功率在空中进行融合，CMOS制程才会有机会涵盖到这部分的市场。 但在5G mmWave频段，则会是以CMOS制程为主。 林珩之进一步表示，因mmWave频段采用的天线比较小，就会是以CMOS制程为主，像是CPU、GPU、ASIC等，该制程与化合物半导体很不相同，价格会比砷化镓/氮化镓制程来得低。

此外，CMOS制程的应用领域也比较宽广，目前在交换器(Switch)上便使用得相当广泛，而采用氮化镓制程的交换器就比较难做，因其是属于双极性接面型晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT)。 物联网这类以价格为主要驱动的应用，由于对功率的要求比较低，也会是CMOS制程所能发挥的地方。

GaN 在射频应用中脱颖而出的三大原因

镓 (Ga) 是一种化学元素，原子序数为 31。镓在自然界中不存在游离态，而是锌和铝生产过程中的副产品。

GaN 化合物由镓原子和氮原子排列构成，最常见的是纤锌矿晶体结构。纤锌矿晶体结构（如下图所示）呈六方形，通过两个晶格常数（图中标记为 a 和 c）来表征。

GaN 晶体结构

在半导体领域，GaN 通常是高温下（约为 1,100°C）在异质基板（射频应用中为碳化硅 [SiC]，电源电子应用中为硅 [Si]）上通过金属有机物化学气相淀积 (MOCVD) 或分子束外延 (MBE) 技术而制成。

GaN-on-SiC 方法结合了 GaN 的高功率密度功能与 SiC 出色的导热性和低射频损耗。这就是 GaN-on-SiC 成为高功率密度射频应用合并选择的原因所在。如今，GaN-on-SiC 基板的直径可达 6 英寸。

GaN-on-Si 合并的热学性能则低得多，并且具有较高的射频损耗，但成本也低很多。这就是 GaN-on-Si 成为价格敏感型电源电子应用合并选择的原因所在。如今，GaN-on-Si 基板的直径可达 12 英寸。

那么，为何 GaN 在射频应用中优于其他半导体呢？

相比 Si 和 GaAs 等其他半导体，GaN 是一种相对较新的技术，但它已然成为某些高射频、大功耗应用的技术之选，比如需要长距离或以高端功率水平传输信号的应用（如雷达、基站收发器 [BTS]、卫星通信、电子战 [EW] 等）。

GaN-on-SiC在射频应用中脱颖而出，原因如下：

高击穿电场：由于 GaN 的带隙较大，GaN 具有较高的击穿电场，这使得 GaN 设备的工作电压可远远高于其他半导体设备。当受到足够高的电场作用时,半导体中的电子能够获得足够动能来打破化学键（这一过程被称为碰撞电离或电压击穿）。如果碰撞电离未得到控制，则可能会降低器件性能。由于 GaN 器件可以在较高电压下工作，因此可用于较高功率的应用。

高饱和速度：GaN 上的电子具有很高的饱和速度（在极高电场下的电子速度）。当结合大电荷能力时，这意味着 GaN 器件能够提供高得多的电流密度。

射频功率输出是电压与电流摆幅的乘积，所以，电压越高，电流密度越大，则实际尺寸的晶体管中产生的射频功率就越大。简言之，GaN 器件产生的功率密度要高得多。

出色的热属性：GaN-on-SiC 器件表现出不同一般的热属性，这主要因为 SiC 的高导热性。具体而言，这意味着在消耗功率相同的情况下，GaN-on-SiC 器件的温度不会变得像 GaAs 器件或 Si 器件那样高。器件温度越低才越可靠。

厂商相机而动，Qorvo恐成最大赢家

伴随RF功率组件发展趋势日渐明朗，各家大厂开始有所动作、抢争新世代科技的主导权：主流LDMOS供货商包括恩智浦(NXP)、安谱隆(Ampleon)、英飞凌(Infineon)等，正尝试透过外部代工获取GaN技术；传统GaAs厂商亦纷纷开始着重投资在此，少部分已成功将产能转进GaN、在市场拔得头筹；至于纯GaN供货商如科锐(Cree )旗下之Wolfspeed，一方面为LDMOS大厂供应相关组件、壮大市场，一方面则努力确保自身在GaN技术发展的领先地位。

据Yole指出，待GaN组件成为主流，掌握GaN市场的厂商将取代LDMOS主力厂商，成为RF功率市场领导者--现阶段除Wolfspeed，该领域领导厂商几乎都是由GaAs厂商转进。 就近期包括Infineon收购Wolfspeed受阻于美国政府、和康电讯(M/A-COM)与Infineon间的诉讼等相关事件来看，该领域的竞争似乎也日趋白热化。而在背后还隐藏着一哥射频大玩家——Qorvo。

作为射频领域的专家，Qorvo 预测， 8GHz 以下砷化镓仍是主流， 8GHz 以上氮化镓替代趋势明显。砷化 镓作为一种宽禁带半导体，可承受更高工作电压，意味着其功率密度及可工作温度更高，因而具有高功率密度、能耗低、适合高频率、支持宽带宽等特点，包括Qorvo在内的几个业界先驱已经在GaN上投入了巨额资金研究。

GaAs、 Si-LDMOS、 GaN 方案面积对比（source：Qorvo）

Qorvo表示，由于GaN具有高功率密度、宽频性能、高功率处理、输入功率稳定、减少零件尺寸和数量等特点，让其受到功率放大器和无线基础设施等市场的青睐。

据测试显示，GaN可以在一个微小的面积上发射很大的功率，且单位面积上收到的热度是GaAsDE 的十倍以上，因非常适合于5G正在追逐的毫米波频段。

我们需要清楚一点，GaN器件并不是一种新东西，它其实一早就被应用到军事雷达和有线电视等相关设施。但受限于成本问题，过去才一直没有被推广到民用领域。但在经过了Qorvo和Macom这些企业的努力，GaN材料的成本和制造成本开始下降。

如Qorvo早前宣布将其重心转移到6英寸SiC基GaN上，这些都有效的提高了其成本竞争优势。不过我们也要看到，其带来的功耗问题，也需要厂商去解决。

Qorvo无线基础设施产品部总经理Sumit Tomar认为，LDMOS器件物理上已经遇到极限，这就是氮化镓器件进入市场的原因。而基站应用需要更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率，这些因素都促成了基站接受氮化镓器件。但是GaN在进入手机的过程中，碰到了一些阻碍。Qorvo方面表示，氮化镓器件工作在低电压环境、必须设计新封装形式以满足散热要求和成本太高是制约GaN器件走向手机的关键。