高效率GaN器件助力構建5G通信新業態

趙樹峰 向賀玲

5G通信作為國家戰略之一，關系到未來數十年國民經濟的發展，將推動國家整體產業創新，創造巨大的經濟價值和社會價值。5G技術具備高傳輸速度、數據大吞吐量、低時延等特性，為社會及經濟的快速發展提供基礎平臺和技術前提，5G產業的快速發展將帶動我國通信設備產業、智能終端產業、信息服務行業取得突破性進展，促進我國高科技技術的快速發展。與此同時，5G在帶來巨大發展前景之時，還面臨著頻譜資源有限、核心技術缺失、運營商資本支出倍增等諸多挑戰。一方面，5G時代，由于頻段提升，宏基站覆蓋半徑有所縮減，宏基站建設數量比4G略有提升，5G基站量將是4G基站數量的2倍；而隨著毫米波的引入，電波穿透力較差，微基站數量會大幅增加。基站的大規模建設，給國內光模塊、天線、光纖光纜等通信設備產業帶來發展機會。另一方面，5G通信作為我國與全球第一次同步研發的移動通信標準，讓我國網絡運營商和通信設備企業迎來了產業快速發展和超越的市場機遇期。

據業界報道，到2030年，5G將帶動我國直接經濟產出6.3萬億元，間接產出10.6萬億元（見圖1）。同時創造800萬個直接就業機會，1 150萬個間接就業機會（見圖2）。

1 5G通信技術發展前景

隨著5G通信裝備在商用領域的不斷發展和日漸需求，賽迪智庫無線電管理研究所發布了《5G十大細分應用場景研究報告》，引起了行業界的廣泛關注。4G與5G通信在系統性能指標和關鍵技術方面對比如下：

①數據傳輸速率方面，5G峰值速度為10～20Gbps，相比4G提升了10～20倍。

②5G流量密度目標值為10 Tbs/km2，比4G提升了100倍。

③用戶體驗速率將達到0.1～1 Gbps，比4G提升了10～100倍。

④頻譜效率方面，5G相對于4G提升了3～5倍。

⑤端到端實驗方面，5G每平方公里可聯網設備的數量最高達100萬個。

⑥移動性方面，5G支持時速達到500km/h，比4G提升了1.43倍。

2 氮化鎵（GaN）半導體材料優勢

氮化鎵（GaN）作為第3代寬禁帶半導體材料的典型代表之一，相較于以第1代硅（Si）和第2代砷化鎵（GaAs）等，具有高工作電壓、高工作頻率、高效電能轉化、耐高工作溫度等優勢，是未來高質量射頻微波產品、高效率電力電子產品以及新型半導體照明技術等產品領域的“核芯”。GaN在信息、能源、交通、國防等應用領域具有不可替代的“核芯”作用，也將逐漸成為新一代5G信息新技術的核心競爭元素。

射頻器件是無線通訊設備的核心和基礎性零部件，特別是新一代5G系統。與傳統的Si以及GaAs半導體相比，氮化鎵具有更好的材料物體特性，特別是禁帶的寬度，非常適合制備射頻功率放大器件，實現高功率密度、高頻、大寬帶、高效率等射頻性能（見表1）。對于5G技術而言，GaN將成為最適合功率放大器的材料，而隨著5G在毫米波頻段的應用，GaN可實現減少系統鏈路通道數、最小化陣列尺寸、降低功耗以及系統成本的優勢，成為未來通信在功放領域內的關鍵材料之一。

3 國際GaN技術發展現狀與趨勢

GaN射頻器件在新一代5G通信中的應用前景被全球主流的元器件供應商所認可，全球知名的半導體器件供應商均有涉足GaN業務。當前，世界不少國家都在開發GaN技術研究，準備為2030年重點戰略規劃項目，大力推動GaN技術的產業化。以美國的科銳公司和日本的住友公司為代表的美日企業在產業化方面走在國際前列，荷蘭恩智浦（NXP）公司、德國英飛凌（INFINEON）科技公司、美國飛思卡爾半導體（Freescale Semiconductor）公司等因其在橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）領域的優勢地位，在GaN領域內也不可忽視。但隨著國際競爭形勢的變化，半導體行業的巨頭通過兼并重組的方式實現強強聯合以提升企業競爭優勢，其中以威訊聯合半導體有限公司（RF Micro Devices，RFDM）與超群半導體公司（Triquint）合并成立的Qorvo公司在GaN高頻技術方面走的最為成功。并且第3代半導體射頻電子器件在民用市場和軍用市場都已經實現規模化應用。在民用市場，GaN射頻器件在5G通信領域需求顯著。據歐盟預測，到2020年，5G通信將在全球范圍內實現商用，而GaN射頻器件是5G通信時代高效率、超寬帶、小體積的通信基站的核心技術。5G通信的數據流量需求將是現有技術流量的1 000倍以上，屆時對GaN射頻器件的使用量將為現有技術的100倍以上。在軍用市場，GaN射頻器件需求快速增長，僅戰斗機雷達對GaN射頻功率模塊的需求就將達到7 500萬個。目前，美國海軍新一代干擾機吊艙及空中和導彈防御雷達AMDR已采用GaN射頻功放器件替代GaAs器件，極大減小了設備體積，提高了系統效率。

根據優樂（YOLE）數據顯示，2015年GaN主要應用領域為無線基礎設施、國防軍工、有線電視系統等，其中無線基礎設施和國防軍工占去90%。根據目前技術水平，大規模將GaN運用到手機上仍是不現實的。但與GaAs和磷化銦（InP）等材料的高頻工藝相比，GaN器件具備更大的輸出功率；與LDMOS功率工藝相比，GaN的頻率特性更好。因此隨著GaN功放技術的成熟，射頻工藝或將發生巨大變革。目前，約10%的通信基站采用GaN技術，占GaN射頻器件50%以上的市場。5G通信頻率未來最高可達85GHz，根據半導體材料的物理特性，在該頻段GaN材料占據優勢地位。根據StrategyAnalytics的預測，隨著5G市場的正式啟動，2020年射頻GaN市場可達6.89億美元。

另外，5G通信的發展，新一代通信系統需要設計和滿足更多的頻段和制式。例如，手機設計的空間有限，同時要滿足性能的需求，就需要不同頻率的射頻前端進行集成。其中射頻前端集成中主要的核心元器件—射頻功率放大器直接決定了手機無線通信的距離、信號質量，甚至待機時間，是整個射頻系統中除基帶外最重要的部分。同時，與4G手機相比，5G時代手機內的射頻功率放大器或多達16顆之多，是4G手機的2倍還多。因此，5G時代射頻前段的變革性發展，也給GaN技術帶來了發展機遇。

4 國內GaN技術發展現狀與趨勢

面對紛繁復雜的國際競爭形勢，國內的GaN半導體技術企業正在針對GaN關鍵技術進行了積極的產業化制備，多家研究所也對GaN技術進行了積極的探索與積累，逐層突破技術瓶頸，建立完善的技術壁壘和專有技術，打破國際技術競爭，我國GaN半導體技術有望在2020年5G通信市場實現突破，建立我國在GaN技術領域的話語權和專屬權。

在GaN射頻器件的通信應用領域，國內已經擁有了多家GaN射頻產品試生產企業，并且也陸續推出了系列的GaN射頻產品，逐漸在填補著國內GaN技術的空白。其中，蘇州能訊高能半導體有限公司（簡稱“能訊”）專注于GaN技術，進行了長達12年的研究及產業化之路，采用垂直整合制造（IDM）的商業模式，已經自主實現氮化鎵外延材料制備、器件設計、工藝制造、封裝及可靠性驗證、應用電路設計等全產業鏈技術，累計在氮化鎵領域申請專利近300件，其我國內授權專利達到200余件，并通過國家知識產權貫標體系，逐步建立完整的知識產權保護體系，在Sub6GHz實現全產品的覆蓋，無論在技術還是產業化制備能力都走在國內GaN射頻業務的前列。同時也通過了國內以及國際質量體系的認證。能訊相關Sub6GHz GaN功放管在國內一流通信設備供應商的測試評估過程，獲得了國際領先的技術指標，為我國5G通信裝備的構建提供技術保障。

為了適應GaN功放芯片在Massive MIMO的應用要求，實現基站高效率和小型化等特點，能訊開展了GaN多芯片模組（Multichip Module MCM）的開發，在保證高性能的同時，兼顧核心芯片供應鏈的安全性以及產品性能可靠性。

在毫米波GaN單片微波集成電路（M M I C）領域能訊也進行了積極的技術布局以及產能布局，公司采購了國際先進的0.1μm工藝光刻機，組建了研究團隊，為實現高效率的毫米波M M I C芯片提供研究基礎。

另外，國內還有國家研究所機構以及高校正在大量從事GaN技術的研發，例如：中國電子科技集團公司第十三研究所和中國電子科技集團公司第五十五研究所是國內從事GaN微波功率器件研制主要單位，研究內容涵蓋理論研究、外延材料、器件研制、工藝開發、管殼研制及模擬仿真等方向，具備系統研制GaN微波功率器件及MMIC的技術基礎，研制了多項GaN射頻器件，并已經在客戶端進行試用。中國科學院半導體研究所等研究機構，在材料生長、器件設計、器件工藝、可靠性機理與表征、器件模型、功放設計等方面有深厚的研究基礎。科研院所及高校的前沿技術研究優勢，將對解決項目相關難題、提高產品性能指標有著非常重要的意義。中興通訊股份有限公司是全球領先的綜合通信解決方案提供商，近幾年已經著手研究GaN射頻功率器件在移動通信基站中的應用，先后與多家GaN公司合作研究GaN功放在通信領域的應用，并且針對新一代5G系統的研究也取得了很大成就。

5 結語

得益于國家科技部重點研發計劃在氮化鎵功放領域的技術支持和牽引，氮化鎵功放技術獲得了更多國家及地方政策的支持，國內從事GaN技術研究的高校、研究院所、企業以及下游應用單位能夠通過項目的牽引，實現產學研用各領域的協同發展。在促進上游材料產業技術升級及產業化提升的同時，也推動了下游通信設備商產品的更新，項目的所產生的外延制備、芯片設計、工藝制備等各項關鍵技術將直接應用于新產品的開發。而同下游通過項目的合作將有助于器件廠商更深刻的理解下游設備商的需求，直接促進新產品的導入，通過項目合作實現商業合作，共同促進產業發展。

基站是5G網絡建設的基礎，而射頻功放是基站的核心元器件，高效率的GaN器件將隨著5G建設浪潮而迎來新的發展機會，加強上下游的深度合作，將助力于我國在5G通信領域取得更多的話語權，實現產業鏈的共贏。