5G通信基站用化合物半導體射頻器件應用場景及發展

王強 宋學峰

（中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

中國移動啟動5G 預約之后，中國聯通和中國電信也啟動了5G的線上預約，截止目前，預約用戶已破千萬，商用進程繼續加快。我國Sub-6GHz 頻段5G 于2020年實現商用，5G 毫米波預計在2022年后實現商用。作為5G 通信基礎支撐的中高頻器件的成熟是5G 通信產業成熟的基礎，隨著5G 產業的日趨火熱，核心元器件的研發更是邁上加速的步伐，本文對化合物半導體射頻器件在5G 基站應用中的技術現狀及發展進行簡要論述。

1 化合物半導體在5G基站中的應用場景淺析

目前，較為成熟的化合物半導體主要包含GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）GaN（氮化鎵）等[1-2]，各種半導體以其各自特點形成不同特性的器件，GaN 更是以其寬禁帶、大功率特性成為近幾年研究及產業重點。化合物半導體在5G 基站中的應用場景示意如圖1所示。

GaAs 材料具備適中的禁帶寬度、電子遷移率，且工藝技術成熟，除在中頻段大量應用于終端功放及微基站（GaAs HBT 器件）外，適于100GHz 以內5G 中高頻段低噪聲放大器的研發[3]。GaAs E-PHEMT 在5G 中高頻段低噪聲放大器優勢明顯，GaAs PHEMT在5G 高頻段中功率基站放大器方向，也可有不錯的表現[4]，但在大功率放大器較GaN 工藝無優勢；GaAs PIN 工藝可開發較高速度、小插損開關，但與Si RF-SOI 工藝比較無技術優勢。當前GaAs 工藝多采用6 英寸制程，具備成熟的材料外延技術，成本處于中等水平。

圖1：化合物半導體在5G 基站中的應用場景示意

InP 材料具備超高的電子遷移率，高頻性能優勢明顯[5]。InP HBT 工藝國外SkyWorks 等公司正在開展研究用于5G 中高頻段終端功率放大器。InP HEMT 因其材料高的電子遷移率，在毫米波至THz 低噪聲放大器有明顯優勢，或在后5G 時代能有所應用。不論是InP HBT 還是InP HEMT，目前制程在3～4 英寸，批產能力相對GaAs 弱勢。而GaAs MHEMT 是在GaAs 襯底上進行InP 外延，既保留了InP 的優良頻率特性，又能將襯底增至6 英寸，國際上GaAs 上InP 外延技術已有突破性進展[6]。

GaN 材料具備高的禁帶寬度，良好的熱導率，適合進行高壓、大功率器件的研制，在5G 基站用功率放大器方向由其是中頻段大功率領域將具備無可替代的地位[7-8]。SiC 上GaN 襯底成本較高，制程為4～6 英寸。此外，Si 上GaN 是在Si 襯底上進行GaN 外延，既保留了GaN 的優良功率特性，又能將襯底增至Si 基水平，成本有優勢但熱導率有所下降，影響其適用范圍。在高頻段，將功放、開關、低噪放一體集成，形成GaN 多功能前端芯片，是目前隨應用牽引出現的新研究方向[9]。化合物半導體在5G 基站中的應用場景如表1所示。

表1：化合物半導體在5G 基站中的應用場景

2 基站用化合物半導體國內外發展現狀

目前，境外具備生產制備GaAs 器件及芯片的工藝能力的主要廠家有：Skyworks、MACOM、Qorvo、Avago、WIN（穩懋半導體）、AWSC（宏捷科技）等, 其中穩懋半導體、宏捷科技是專注于GaAs工藝制造代工服務的公司，且均已發展四代以上，Skyworks、Qorvo、Avago、MACOM 等公司具備GaAs HBT 微基站功放及低噪聲放大器的深厚研制基礎，目前集中于Sub-6GHz，已發布多款中頻段開關低噪放模組或低噪聲放大器，其中開關多采用Si SOI 方案，低噪放多采用GaAs 工藝[10]。

國內具備GaAs 相關技術的主要廠家主要有廈門三安、成都海威華芯、中國電科等，其中廈門三安、成都海威華芯是具備GaAs工藝制造代工服務的公司，目前廈門三安具備一定的GaAs HBT 功放代工能力，部分廠家具備GaAs 低噪放器件研制生產能力，開關低噪放模組處于小批量階段。

在GaN 方面，美國CREE 公司的SiC 襯底材料占據了全球市場份額的50%以上，4 英寸及6 英寸SiC 襯底相對成熟，另外IIVI、Dow Corning、Rohm 和昭和電工也占據較大份額。對于GaN器件，國外知名公司（如Cree、Sumitomo、Qorvo、MACOM、RFHIC 等）均有成熟產品，韓國RFHIC 在6GHz 以內功率放大器委托Cree代工，MACOM公司收購Nitronex進行Si上GaN產品開發。目前國外5G 中頻段GaN 器件已批量供貨且占據大部分市場[11]。

有別于4G 以前基站用射頻功率器件完全被國外壟斷的被動局面，在當前階段，由于第三代半導體的提前布局，國內GaN 技術發展并未滯后較多，SiC 襯底方面，環節有山東天岳、天科合達已在4 英寸實現量產，GaN 材料外延環節主要有蘇州晶湛、江西晶能、東莞中鎵、中國電科等，GaN 器件方面，三安光電、蘇州能訊、中國電科均有布局，在5G 中頻段GaN 器件有望取得產業化突破。

以上主要簡要描述了中頻段化合物發展情況，在毫米波高頻段方面，隨著標準的推動，方案還未明確，目前射頻方案主要包含全集成與半集成兩種覆蓋低/中/大功率場景，全集成的射頻方案主要通過Si 或SiGe 射頻通道全集成實現，為低功率方案；半集成的射頻方案，主要通過GaAs/GaN 的前端（功放、開關、低噪放）+Si 幅相集成電路，分別對應中/大功率方案，在同樣的EIRP 指標下，通過較少的通道數、較大的單通道發射功率、較寬的波束寬度實現，有望在室外或者長距離覆蓋場景降低成本。

毫米波中/大功率場景方面，GaAs 方案在性能及經濟綜合性方面不具備優勢逐步處于弱勢，近期MACOM 發布了27.5-30GHz的4W 功率放大器，采用了GaAs 全鈍化工藝以提高可靠性。GaN高頻方面國外主要研究單位有Qorvo、OHMIC、MACOM 等，其中Qorvo 發布多款39GHzGaN 前端多功能芯片產品，將功放、開關、低噪放進行片上集成，OHMIC 在此頻段重點開發Si 上GaN工藝，并有28GHz GaN 前端多功能芯片報道。國內中國電科具備高頻GaN 研制能力，并在進行前端樣品研發[12-13]。

3 基站用化合物半導體發展機遇、問題及建議

5G 應用方面，因其相控陣架構需要，對元器件的需求量大幅增長，必然帶動化合物半導體的快速發展。以GaN 為例，根據愛爾蘭Fact.MR 公司發布研究報告預測，2017 ～2026年，氮化鎵（GaN）射頻器件市場將以18.4%的復合年增長率增長，市場規模將在2026年底超過15 億美元，通信仍將是主要應用，無線基礎設施將成為GaN RF 器件中利潤最豐厚的應用。

然而，從國內外發展來看，我國化合物半導體存在如下幾個問題或差距：

（1）在GaAs 方面，國外已深耕多年，國內雖有產品跟隨，但響應速度及盈利能力具備差距；

（2）SiC 襯底方面，4 英寸生長質量及產能需提升，同時6 英寸大尺寸技術有差距；

（3）GaN 工藝及器件方面，技術雖未落后較多，但產業化能力差距大，另外在中頻段高集成模組、高頻段功放及模組方面布局及投入有限。

針對以上分析，本文提出幾點發展建議：

（1）加大投入力度，聚焦扶強，重視產業能力提升。針對具備產業發展前景的核心企業和重點項目聚焦扶強，加大對5G 中高頻化合物襯底、工藝、器件產品研發和產業化的支持力度，地方財政對相關領域加大投入，推動基金等資源向5G 中高頻器件相關企業傾斜。

（2）促進產業鏈聯盟建立，推動應用帶動作用。促進建立材料、器件、封裝、應用產業鏈聯盟，推動設備制造商的應用帶動作用，落地中頻布局高頻。建立健全政府、企業、行業組織和產業鏈聯盟等協同推進機制，加強在技術攻關、產業推進等方面的協調配合。

（3）提前部署，加強基礎元器件接續研發能力。推動明確5G高頻段頻率規劃方案，為國內企業發展5G 高頻器件指明方向，激勵引導企業的5G 高頻器件研發和創新。

（4）鼓勵創新，推進國際合作，拓寬海外市場渠道。鼓勵自主創新，獲得知識產權主動權，推動國內企業積極參與技術引進、知識產權合作、跨國并購等國際合作，鼓勵骨干企業加大海外布局力度，推動設立海外研發中心、銷售網絡，拓寬海外市場渠道，提高國際市場拓展能力。

4 結論

本文針對5G 商用化進程對化合物射頻元器件的需求，從當前較為成熟的各類化合物半導體器件特性出發，分析了其在基站中的應用場景，敘述了化合物半導體技術及產品國內外發展現狀，基于此梳理了問題及差距，最后針對性的提出五點發展建議，為化合物半導體射頻器件在5G 領域的發展提供參考。