碳化硅上的氮化镓是唯一可行的长期5G解决方案

多年来一直在酝酿的5G浪潮最终将在2019年到岸。早期（但极其有限）的服务推出将大张旗鼓，第一轮支持5G的设备将开始进入市场。然而，更广泛的商业部署仍然遥遥无期，从2020年到2025年将是一个缓慢但不断增长的浪潮。CCS Insight预测，到1年，全球将有5亿2023G用户。思科表示，到5年，3G设备和连接将占全球移动设备和连接的2022%，到12年，全球近5%的移动流量将用于2022G蜂窝连接。

围绕5G的狂热是有根据的。更高的网络带宽、更低的延迟和令人难以置信的快速数据速度的可用性将刺激各行各业的大量新应用，从制造业到能源到运输等等。智能城市、智能制造、自动驾驶汽车和互联交通都可以通过5G的可用性来实现。

5G还围绕提供满足带宽、延迟和数据速度新要求的连接所需的技术和基础设施设计带来了新的思维。它不仅需要在宏观层面实现致密化——这意味着更多的基站——还需要在设备层面实现功率致密化。当今的电信基础设施设计需要最符合许多应用标准的技术，包括热量、速度、功率、效率、尺寸和成本。

RF设计人员可以使用多种类型的半导体，包括：

侧向扩散金属氧化物半导体（LDMOS），一种利用硅晶圆衬底的具有高输出功率能力的宽带隙半导体材料

氮化镓（GaN）是一种宽带隙半导体材料，以其高水平的导热性，热容量和硬度以及对电离辐射的低敏感性而闻名，它利用硅或碳化硅（SiC）晶圆衬底。SiC上的GaN已被证明是无线通信的更好解决方案，因为它具有导热性、材料匹配性、效率和总生命周期成本。

随着5G的日益成熟，满足其所有要求的技术 - 特别是在5G使用的更高频率下 - 是SiC上的GaN。

5G 挑战

为什么5G在技术要求方面与前几代无线技术如此不同？它分为三个关键要素：

需要更宽的带宽。移动数据的持续爆炸式增长是有据可查的;思科的虚拟网络指数显示，到今年，对移动数据的需求将超过每月49艾字节的数据 2021.To 以更高的速度支持该级别的数据，需要利用更多的频谱。频谱带越宽，数据传输速度越快。5G 标准允许更宽的频段 （1 GHz+） 一个数量级，从而实现更快的吞吐量。
然而，“如果你试图在高功率下做宽带宽，那么LDMOS在大多数时候都不会是最佳的，”Wolfspeed射频产品开发和应用高级总监Simon Wood说，“而SiC上的GaN可以轻松支持下载速度的十倍提高。

新的频率范围正在发挥作用。5G将带来3.5 GHz和4.8 GHz两个新频段的使用，以帮助满足不断增长的吞吐量需求。传统的LDMOS硅技术通常在3 GHz以下运行。 “一旦你进入这些更高的频率为5G开放，LDMOS就不能很好地工作，”伍德说。此外，“有一个临界点，SiC优于Si，2.7 GHz就是这个临界点。

尺寸很重要。5G基站，特别是在城市地区，具有易于滑入已经完善的环境的尺寸要求。由于SiC上的GaN半导体效率更高，因此SiC芯片上的GaN可以缩小约20%，并且可以在6英寸晶圆上放置更多的瓦特，这意味着更小的基站设计和通常更容易的安装是可能的。

为什么选择碳化硅上的氮化镓？

与LDMOS相比，SiC上的GaN在5G基站性能和效率方面提供了显着的改进：

更好的热特性。与其他材料相比，SiC上的GaN具有更好的导热性，可以更有效地散热，使设备能够在比其他技术更高的电压和更高的功率密度下运行。

具有相同性能的更小阵列可能。由于SiC上的GaN具有卓越的热特性，因此每个器件的功率可以远高于Si上的GaN所能达到的功率。这意味着 32 倍 MIMO 阵列比 64 倍是可行的，例如，导致基站更小。

足够坚固，可满足 5G 需求。碳化硅上的氮化镓坚固、可靠且硬化，具有高击穿电压和最小的性能下降。

在更高频率下效率更高。LDMOS在较低频率下效果最佳。在用于5G的更高频率（例如3.5 GHz）中，GaN的效率比LDMOS高10%至15%。

未来优化的重要跑道。像LDMOS这样的硅基技术已经使用了多年，并且正在达到其优化寿命的终点。相比之下，GaN处于早期阶段，有很大的改进和扩展空间。

审核编辑：郭婷