高效率GaN器件助力构建5G通信新业态

2019-12-23赵树峰向贺玲

新材料产业 2019年10期

赵树峰向贺玲

5G通信作为国家战略之一，关系到未来数十年国民经济的发展，将推动国家整体产业创新，创造巨大的经济价值和社会价值。5G技术具备高传输速度、数据大吞吐量、低时延等特性，为社会及经济的快速发展提供基础平台和技术前提，5G产业的快速发展将带动我国通信设备产业、智能终端产业、信息服务行业取得突破性进展，促进我国高科技技术的快速发展。与此同时，5G在带来巨大发展前景之时，还面临着频谱资源有限、核心技术缺失、运营商资本支出倍增等诸多挑战。一方面，5G时代，由于频段提升，宏基站覆盖半径有所缩减，宏基站建设数量比4G略有提升，5G基站量将是4G基站数量的2倍；而随着毫米波的引入，电波穿透力较差，微基站数量会大幅增加。基站的大规模建设，给国内光模块、天线、光纤光缆等通信设备产业带来发展机会。另一方面，5G通信作为我国与全球第一次同步研发的移动通信标准，让我国网络运营商和通信设备企业迎来了产业快速发展和超越的市场机遇期。

据业界报道，到2030年，5G将带动我国直接经济产出6.3万亿元，间接产出10.6万亿元（见图1）。同时创造800万个直接就业机会，1 150万个间接就业机会（见图2）。

1 5G通信技术发展前景

隨着5G通信装备在商用领域的不断发展和日渐需求，赛迪智库无线电管理研究所发布了《5G十大细分应用场景研究报告》，引起了行业界的广泛关注。4G与5G通信在系统性能指标和关键技术方面对比如下：

①数据传输速率方面，5G峰值速度为10～20Gbps，相比4G提升了10～20倍。

②5G流量密度目标值为10 Tbs/km2，比4G提升了100倍。

③用户体验速率将达到0.1～1 Gbps，比4G提升了10～100倍。

④频谱效率方面，5G相对于4G提升了3～5倍。

⑤端到端实验方面，5G每平方公里可联网设备的数量最高达100万个。

⑥移动性方面，5G支持时速达到500km/h，比4G提升了1.43倍。

2 氮化镓（GaN）半导体材料优势

氮化镓（GaN）作为第3代宽禁带半导体材料的典型代表之一，相较于以第1代硅（Si）和第2代砷化镓（GaAs）等，具有高工作电压、高工作频率、高效电能转化、耐高工作温度等优势，是未来高质量射频微波产品、高效率电力电子产品以及新型半导体照明技术等产品领域的“核芯”。GaN在信息、能源、交通、国防等应用领域具有不可替代的“核芯”作用，也将逐渐成为新一代5G信息新技术的核心竞争元素。

射频器件是无线通讯设备的核心和基础性零部件，特别是新一代5G系统。与传统的Si以及GaAs半导体相比，氮化镓具有更好的材料物体特性，特别是禁带的宽度，非常适合制备射频功率放大器件，实现高功率密度、高频、大宽带、高效率等射频性能（见表1）。对于5G技术而言，GaN将成为最适合功率放大器的材料，而随着5G在毫米波频段的应用，GaN可实现减少系统链路通道数、最小化阵列尺寸、降低功耗以及系统成本的优势，成为未来通信在功放领域内的关键材料之一。

3 国际GaN技术发展现状与趋势

GaN射频器件在新一代5G通信中的应用前景被全球主流的元器件供应商所认可，全球知名的半导体器件供应商均有涉足GaN业务。当前，世界不少国家都在开发GaN技术研究，准备为2030年重点战略规划项目，大力推动GaN技术的产业化。以美国的科锐公司和日本的住友公司为代表的美日企业在产业化方面走在国际前列，荷兰恩智浦（NXP）公司、德国英飞凌（INFINEON）科技公司、美国飞思卡尔半导体（Freescale Semiconductor）公司等因其在横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）领域的优势地位，在GaN领域内也不可忽视。但随着国际竞争形势的变化，半导体行业的巨头通过兼并重组的方式实现强强联合以提升企业竞争优势，其中以威讯联合半导体有限公司（RF Micro Devices，RFDM）与超群半导体公司（Triquint）合并成立的Qorvo公司在GaN高频技术方面走的最为成功。并且第3代半导体射频电子器件在民用市场和军用市场都已经实现规模化应用。在民用市场，GaN射频器件在5G通信领域需求显著。据欧盟预测，到2020年，5G通信将在全球范围内实现商用，而GaN射频器件是5G通信时代高效率、超宽带、小体积的通信基站的核心技术。5G通信的数据流量需求将是现有技术流量的1 000倍以上，届时对GaN射频器件的使用量将为现有技术的100倍以上。在军用市场，GaN射频器件需求快速增长，仅战斗机雷达对GaN射频功率模块的需求就将达到7 500万个。目前，美国海军新一代干扰机吊舱及空中和导弹防御雷达AMDR已采用GaN射频功放器件替代GaAs器件，极大减小了设备体积，提高了系统效率。

根据优乐（YOLE）数据显示，2015年GaN主要应用领域为无线基础设施、国防军工、有线电视系统等，其中无线基础设施和国防军工占去90%。根据目前技术水平，大规模将GaN运用到手机上仍是不现实的。但与GaAs和磷化铟（InP）等材料的高频工艺相比，GaN器件具备更大的输出功率；与LDMOS功率工艺相比，GaN的频率特性更好。因此随着GaN功放技术的成熟，射频工艺或将发生巨大变革。目前，约10%的通信基站采用GaN技术，占GaN射频器件50%以上的市场。5G通信频率未来最高可达85GHz，根据半导体材料的物理特性，在该频段GaN材料占据优势地位。根据StrategyAnalytics的预测，随着5G市场的正式启动，2020年射频GaN市场可达6.89亿美元。

另外，5G通信的发展，新一代通信系统需要设计和满足更多的频段和制式。例如，手机设计的空间有限，同时要满足性能的需求，就需要不同频率的射频前端进行集成。其中射频前端集成中主要的核心元器件—射频功率放大器直接决定了手机无线通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是整个射频系统中除基带外最重要的部分。同时，与4G手机相比，5G时代手机内的射频功率放大器或多达16颗之多，是4G手机的2倍还多。因此，5G时代射频前段的变革性发展，也给GaN技术带来了发展机遇。

4 国内GaN技术发展现状与趋势

面对纷繁复杂的国际竞争形势，国内的GaN半导体技术企业正在针对GaN关键技术进行了积极的产业化制备，多家研究所也对GaN技术进行了积极的探索与积累，逐层突破技术瓶颈，建立完善的技术壁垒和专有技术，打破国际技术竞争，我国GaN半导体技术有望在2020年5G通信市场实现突破，建立我国在GaN技术领域的话语权和专属权。

在GaN射频器件的通信应用领域，国内已经拥有了多家GaN射频产品试生产企业，并且也陆续推出了系列的GaN射频产品，逐渐在填补着国内GaN技术的空白。其中，苏州能讯高能半导体有限公司（简称“能讯”）专注于GaN技术，进行了长达12年的研究及产业化之路，采用垂直整合制造（IDM）的商业模式，已经自主实现氮化镓外延材料制备、器件设计、工艺制造、封装及可靠性验证、应用电路设计等全产业链技术，累计在氮化镓领域申请专利近300件，其我国内授权专利达到200余件，并通过国家知识产权贯标体系，逐步建立完整的知识产权保护体系，在Sub6GHz实现全产品的覆盖，无论在技术还是产业化制备能力都走在国内GaN射频业务的前列。同时也通过了国内以及国际质量体系的认证。能讯相关Sub6GHz GaN功放管在国内一流通信设备供应商的测试评估过程，获得了国际领先的技术指标，为我国5G通信装备的构建提供技术保障。

为了适应GaN功放芯片在Massive MIMO的应用要求，实现基站高效率和小型化等特点，能讯开展了GaN多芯片模组（Multichip Module MCM）的开发，在保证高性能的同时，兼顾核心芯片供应链的安全性以及产品性能可靠性。

在毫米波GaN单片微波集成电路（M M I C）领域能讯也进行了积极的技术布局以及产能布局，公司采购了国际先进的0.1μm工艺光刻机，组建了研究团队，为实现高效率的毫米波M M I C芯片提供研究基础。

另外，国内还有国家研究所机构以及高校正在大量从事GaN技术的研发，例如：中国电子科技集團公司第十三研究所和中国电子科技集团公司第五十五研究所是国内从事GaN微波功率器件研制主要单位，研究内容涵盖理论研究、外延材料、器件研制、工艺开发、管壳研制及模拟仿真等方向，具备系统研制GaN微波功率器件及MMIC的技术基础，研制了多项GaN射频器件，并已经在客户端进行试用。中国科学院半导体研究所等研究机构，在材料生长、器件设计、器件工艺、可靠性机理与表征、器件模型、功放设计等方面有深厚的研究基础。科研院所及高校的前沿技术研究优势，将对解决项目相关难题、提高产品性能指标有着非常重要的意义。中兴通讯股份有限公司是全球领先的综合通信解决方案提供商，近几年已经着手研究GaN射频功率器件在移动通信基站中的应用，先后与多家GaN公司合作研究GaN功放在通信领域的应用，并且针对新一代5G系统的研究也取得了很大成就。

5 结语

得益于国家科技部重点研发计划在氮化镓功放领域的技术支持和牵引，氮化镓功放技术获得了更多国家及地方政策的支持，国内从事GaN技术研究的高校、研究院所、企业以及下游应用单位能够通过项目的牵引，实现产学研用各领域的协同发展。在促进上游材料产业技术升级及产业化提升的同时，也推动了下游通信设备商产品的更新，项目的所产生的外延制备、芯片设计、工艺制备等各项关键技术将直接应用于新产品的开发。而同下游通过项目的合作将有助于器件厂商更深刻的理解下游设备商的需求，直接促进新产品的导入，通过项目合作实现商业合作，共同促进产业发展。