GaN为何能在5G射频挑战中脱颖而出

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。对此，市研机构Yole发布的「2017年RF功率市场与科技报告」指出，RF功率市场可望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。

不同材料的能隙与击穿电压对比

现行GaN功率元件以GaN-on-SiC及GaN-on-Si两种晶圆进行制造，其中GaN-on-SiC强调适合应用在高温、高频的操作环境，因此在散热性能上具优势，其以5G基地台应用最多，预期SiC基板未来在5G商用带动下，具有庞大市场商机。

典型GaN射频器件的工艺流程

典型的GaN射频器件的加工工艺主要包括如下环节：外延生长-器件隔离-欧姆接触（制作源极、漏极）-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。

外延生长

采用金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）方式在SiC或Si衬底上外延GaN材料。

器件隔离

采用离子注入或者制作台阶（去除掉沟道层）的方式来实现器件隔离。射频器件之间的隔离是制作射频电路的基本要求。

欧姆接触

形成欧姆接触是指制作源极和漏极的电极。对GaN材料而言，制造欧姆接触需要在很高的温度下完成。

氮化物钝化

在源极和漏极制作完成后，GaN半导体材料需要经过钝化过程来消除悬挂键等界面态。GaN的钝化过程通常采用SiN（氮化硅）来实现。

栅极制作

在SiN钝化层上开口，然后沉积栅极金属。至此，基本的场效应晶体管的结构就成型了。

场板制作

栅极制作完成后，继续沉积额外的几层金属和氮化物，来制作场板、互连和电容，此外，也可以保护器件免受外部环境影响。

衬底减薄

衬底厚度减薄至100μm左右，然后对减薄后的衬底背部进行金属化。

衬底通孔

通孔是指在衬底上表面和下表面之间刻蚀出的短通道，用于降低器件和接地(底部金属化层)之间的电感。

5G高频特性，GaN技术伸展空间巨大

目前基地台用功率放大器(Power Amplifier，PA)主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体LDMOS技术，不过LDMOS技术仅适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。

换言之，GaN优势在于更高功率密度及更高截止频率(Cutoff Frequency，输出讯号功率超出或低于传导频率时输出讯号功率的频率)，尤其在5G多输入多输出(Massive MIMO)应用中，可实现高整合性解决方案，例如模块化射频前端元件，以毫米波(Millimeter Wave，mmWave)应用为例，GaN高功率密度特性可有效减少收发通道数及尺寸，实现高性能目标，然短期LDMOS会与GaN共存，主要原因在于低频应用仍会采用LDMOS，例如2GHz以下应用领域。

通常来说，采用GaN技术可降低天线阵列功耗，透过整合式多通道模块、3～6GHz及28/39GHz频段在射频前端产品的布局，更加强调高性能、低功耗、高整合度、高易用性等目标达成。

以Qorvo3月推出的GaN-on-SiC晶体管QPD1025来看，其无需结合放大器的复杂操作便可实现数千瓦的解决方案，能够大幅节省客户的时间和成本。与LDMOS相比，QPD1025的漏极效率有了显著提升，效率高出近15个百分点。

由于GaN具有更高功率密度特性，能实现更小元件封装，满足Massive MIMO和主动天线单元(Active Antenna Unit，AAU)技术下射频前端高度整合需求。目前GaN运用以5G基础设施(如基地台)为主，手机较难采用GaN技术。主要挑战包括：

(1)GaN成本高；

(2)GaN供电电压高；

无论如何，GaN已成为高频、大功耗应用技术首选，包括需高功率水平的传输讯号或长距离应用，例如基地台收发器、雷达、卫星通信等。Qorvo提供业内种类最多、最具创意的GaN-on-SiC产品组合，其产品具有高功率密度、小尺寸、增益出色、高可靠性和工艺成熟的特点，早在2000年就开始批量生产。