對(duì)于手機(jī)而言射頻GaN技術(shù)還有哪些難題需要解決

對(duì)于手機(jī)而言，射頻GaN技術(shù)還有哪些難題需要解決？氮化鎵技術(shù)非常適合4.5G或5G系統(tǒng)，因?yàn)轭l率越高，氮化鎵的優(yōu)勢(shì)越明顯。但對(duì)于手機(jī)而言，氮化鎵材料還有很多難題需要解決。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施與反導(dǎo)雷達(dá)等領(lǐng)域都要求使用高性能高功率密度的射頻器件，這使得市場(chǎng)對(duì)于射頻氮化鎵（GaN）器件的需求不斷升溫。舉個(gè)例子，現(xiàn)在的無(wú)線基站里面，已經(jīng)開(kāi)始用氮化鎵器件取代硅基射頻器件，在基站設(shè)備上，氮化鎵器件的使用得越來(lái)越廣泛。氮化鎵受青睞主要是因?yàn)樗菍捊麕В╳ide-bandgap）器件，與硅或者其他三五價(jià)器件相比，氮化鎵速度更快，擊穿電壓也更高?，F(xiàn)在，為了把氮化鎵器件推到更大的市場(chǎng)去，一些射頻氮化鎵廠商開(kāi)始考慮在未來(lái)的手持設(shè)備中使用氮化鎵。對(duì)于現(xiàn)在的手機(jī)而言，氮化鎵的性能過(guò)剩，價(jià)格又太貴。但將來(lái)支持下一代通信標(biāo)準(zhǔn)（即5G）的手機(jī)，使用氮化鎵是有可能的。氮化鎵技術(shù)非常適合4.5G或5G系統(tǒng)，因?yàn)轭l率越高，氮化鎵的優(yōu)勢(shì)越明顯。但對(duì)于手機(jī)而言，氮化鎵材料還有很多難題需要解決，例如功耗、散熱與成本。不同工藝比較（數(shù)據(jù)來(lái)源于OKI半導(dǎo)體）射頻氮化鎵技術(shù)是5G的絕配雖然氮化鎵用到手機(jī)上還不現(xiàn)實(shí)，但業(yè)界還是要關(guān)注射頻氮化鎵技術(shù)的發(fā)展。“與砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等高頻工藝相比，氮化鎵器件輸出的功率更大；與LDCMOS和碳化硅（SiC）等功率工藝相比，氮化鎵的頻率特性更好?！狈治鰴C(jī)構(gòu)StrategyAnalytics的分析師EricHigham說(shuō)。“氮化鎵器件的瞬時(shí)帶寬更高，這一點(diǎn)很重要，載波聚合技術(shù)的使用以及準(zhǔn)備使用更高頻率的載波都是為了得到更大的帶寬?！盚igham說(shuō)，“這意味著覆蓋系統(tǒng)的全部波段和頻道只需要更少的放大器?！钡墸℅aN）、砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）是射頻應(yīng)用中常用的三五價(jià)半導(dǎo)體材料，LDMOS（橫向擴(kuò)散MOS技術(shù)）是基于硅的射頻技術(shù)，碳化硅（SiC）可用于功率或射頻領(lǐng)域。可以肯定的是，氮化鎵不會(huì)統(tǒng)治整個(gè)射頻應(yīng)用，設(shè)備廠商會(huì)像以前一樣，根據(jù)應(yīng)用選擇不同的器件和工藝制程技術(shù)，包括三五價(jià)化合物與硅材料。“（射頻領(lǐng)域）還是有砷化鎵與硅器件的市場(chǎng)空間。”GlobalFoundries射頻市場(chǎng)總監(jiān)PeterRabbeni說(shuō)道。什么是氮化鎵?氮化鎵技術(shù)可以追溯到1970年代，美國(guó)無(wú)線電公司（RCA）開(kāi)發(fā)了一種氮化鎵工藝來(lái)制造LED?，F(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的很多LED就是使用藍(lán)寶石襯底的氮化鎵技術(shù)。除了LED，氮化鎵也被使用到了功率半導(dǎo)體與射頻器件上。基于氮化鎵的功率芯片正在市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟?！拔覀兿嘈牛壴?00V功率器件市場(chǎng)將占有主要優(yōu)勢(shì)。”英飛凌氮化鎵全球應(yīng)用工程經(jīng)理EricPersson說(shuō)道。氮化鎵功率器件還是一個(gè)新事物，一時(shí)半會(huì)兒不會(huì)取代現(xiàn)在600V的主流技術(shù)--功率MOSFET。“要最大限度發(fā)揮（GaN功率技術(shù)的）作用，必須采用新型拓?fù)??！盤ersson說(shuō)道。但射頻氮化鎵技術(shù)正在成為主流。根據(jù)StrategyAnalytics的統(tǒng)計(jì)，2015年射頻氮化鎵市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到3億美元，該機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)2020年射頻氮化鎵市場(chǎng)可達(dá)6.885億美元。2015年射頻氮化鎵應(yīng)用市場(chǎng)分布圖（數(shù)據(jù)來(lái)源于YOLE）現(xiàn)在能夠提供射頻氮化鎵器件的廠商主要有科銳、英飛凌、Macom、恩智浦、Qorvo和住友等廠商。（英飛凌在2016年7月已經(jīng)宣布收購(gòu)科銳的Wolfspeed部門，Wolfspeed提供碳化硅功率器件和碳化硅基氮化鎵射頻器件）。還有包括波音、NorthropGrumman和雷神等在內(nèi)的軍工廠商也在開(kāi)發(fā)氮化鎵和其他三五價(jià)技術(shù)。氮化鎵可用于制造場(chǎng)效應(yīng)管（FET）。平面氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管和硅基的MOSFET類似，通過(guò)柵極控制電流從源極流向漏極。不過(guò)制造工藝上氮化鎵和CMOS不同。氮化鎵的襯底是在高溫下利用金屬有機(jī)氣相沉積（MOCVD）或者分子束外延（MBE）技術(shù)生長(zhǎng)的。氮化鎵與一般半導(dǎo)體材料的最大區(qū)別是禁帶更寬。禁帶寬度是表征價(jià)電子被束縛強(qiáng)弱程度的一個(gè)物理量，禁帶越寬，對(duì)價(jià)電子的束縛越緊，使價(jià)電子擺脫束縛成為自由電子的能量越大。禁帶寬度也決定了自由移動(dòng)電子的質(zhì)量。氮化鎵的禁帶寬度是3.4eV（電子伏特），另一種寬禁帶材料碳化硅是3.3eV，對(duì)比一下，現(xiàn)在的射頻工藝砷化鎵（GaAs）的禁帶寬度是1.4eV，而硅是1.1eV。用氮化鎵和碳化硅等寬禁帶材料制造的芯片能夠承受更高的電壓，所以與其他技術(shù)相比，輸出能量密度更高，可工作環(huán)境溫度也更高?！按送?，氮化鎵器件在技術(shù)上還有很多優(yōu)勢(shì)，例如更高的輸出阻抗。高輸出阻抗可以使氮化鎵器件的阻抗匹配和功率組合更容易，這樣可以覆蓋更寬的頻率范圍，提高射頻功放器件的適用性。”NIAWR事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)總監(jiān)DavidVye說(shuō)道。氮化鎵器件有什么缺點(diǎn)呢？缺點(diǎn)就是太貴了，現(xiàn)在絕大部分射頻氮化鎵器件是用又貴又小的碳化硅做襯底生產(chǎn)的。氮化鎵具備獨(dú)特的寬禁帶特性，但太貴了！除了成本，射頻氮化鎵器件也有一些其他的問(wèn)題?！霸O(shè)計(jì)工程師需要精確的氮化鎵器件模型來(lái)進(jìn)行電路仿真，完成現(xiàn)代通信系統(tǒng)所需要的高效率、高線性度的功放阻抗匹配與偏置電路設(shè)的設(shè)計(jì)?！盫ye說(shuō)道，“此外，工程師正準(zhǔn)備把氮化鎵應(yīng)用到一些新領(lǐng)域，例如包絡(luò)跟蹤、數(shù)字預(yù)校正、諧波負(fù)載牽引測(cè)試仿真技術(shù)等。這些應(yīng)用都依賴極大的數(shù)據(jù)集，因?yàn)橐鬁y(cè)試系統(tǒng)又快又準(zhǔn)確，還要自適應(yīng)。”軍事應(yīng)用然而，射頻氮化鎵器件現(xiàn)在最大的市場(chǎng)是軍事與航天領(lǐng)域。大約十五年前，在美國(guó)國(guó)防部的資助下，研究人員開(kāi)始投入到射頻氮化鎵技術(shù)的研究，這才催生了現(xiàn)在的射頻氮化鎵器件市場(chǎng)。根據(jù)StrategyAnalytics的統(tǒng)計(jì)，國(guó)防和航天應(yīng)用占了射頻氮化鎵總市場(chǎng)規(guī)模的40%，雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)是射頻氮化鎵的最大應(yīng)用市場(chǎng)。今年3月，雷神公司宣布其愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)采用了最新的基于氮化鎵技術(shù)的天線系統(tǒng)。愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)是一種陸基導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，可攔截彈道導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)和飛機(jī)。愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈舊愛(ài)國(guó)者系統(tǒng)采用的雷達(dá)技術(shù)被稱為被動(dòng)電子掃描陣列，新雷達(dá)系統(tǒng)改為主動(dòng)電子掃描陣列（AESA），主動(dòng)電子掃描陣列將提供給愛(ài)國(guó)者系統(tǒng)360度的雷達(dá)能力。“雷神相信，升級(jí)到基于氮化鎵技術(shù)的主動(dòng)電子掃描陣列雷達(dá)，可以使愛(ài)國(guó)者系統(tǒng)保持對(duì)新型進(jìn)攻武器優(yōu)勢(shì)?！崩咨窨罩泻蛯?dǎo)彈綜合防御業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁TimGlaeser說(shuō)道。主動(dòng)電子掃描陣列雷達(dá)是基于相控陣技術(shù)，相控陣設(shè)備包含一組可以單獨(dú)控制的天線，利用波束成形技術(shù)，可以讓這組天線轉(zhuǎn)向不同的方向。值得注意的是，這些技術(shù)正在從軍用轉(zhuǎn)向商用。例如，主動(dòng)電子掃描陣列和相控陣技術(shù)已經(jīng)被用于60GHz毫米波Wi-Fi技術(shù)、汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)和無(wú)線基站等。此外，5G中將廣泛采用相控陣技術(shù)。同時(shí)，氮化鎵工藝制造的功率放大器也已經(jīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的軍用手持式無(wú)線電中。因此，供應(yīng)商相信手機(jī)中將來(lái)也會(huì)用上氮化鎵器件。商業(yè)應(yīng)用雖然已經(jīng)用在了基站里面，但普通手機(jī)要用上射頻氮化鎵技術(shù)，還需要等待很長(zhǎng)的時(shí)間。一方面，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商正在竭力滿足爆炸式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量需求。根據(jù)愛(ài)立信的預(yù)測(cè)，從2015年至2021年，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量每年增長(zhǎng)率為45%。通過(guò)載波聚合可以緩解移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)于數(shù)據(jù)帶寬的需求。載波聚合把不同頻率的多個(gè)頻譜組合成一個(gè)完整頻段，頻段中的每一個(gè)頻譜被稱為載波單元?，F(xiàn)在的LTE移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)（Release10）最大可以將5個(gè)載波單元（每個(gè)載波單元20MHz帶寬）組合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)100MHz帶寬。以后，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商將會(huì)公布新標(biāo)準(zhǔn)LTEAdvancedPro，也被稱為4.5G技術(shù)。LTEAdvancedPro最多可以組合32個(gè)載波單元，并會(huì)整合大規(guī)模多入多出技術(shù)（MassiveMIMO）和非授權(quán)波段LTE技術(shù)。大規(guī)模多入多出技術(shù)已經(jīng)在基站中被采用，可以利用多根天線來(lái)提升通信容量。載波聚合和大規(guī)模多入多出技術(shù)促使基站去采用性能更好的功放?；局幸郧安捎玫纳漕l功放主要基于LDMOS技術(shù)，但Qorvo的人員表示，LDMOS技術(shù)的極限頻率不超過(guò)3.5GHz，也不能滿足視頻應(yīng)用所需的300MHz以上帶寬。因?yàn)樯鲜鲈?，基站開(kāi)始采用射頻氮化鎵器件來(lái)替代LDMOS器件?！癓DMOS器件物理上已經(jīng)遇到極限，”Qorvo無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品部總經(jīng)理SumitTomar說(shuō)道，“這就是氮化鎵器件進(jìn)入市場(chǎng)的原因?；緫?yīng)用需要更高的峰值功率、更寬的帶寬以及更高的頻率，這些因素都促成了基站接受氮化鎵器件。”制造氮化鎵器件有兩種方式，一種是Qorvo和其他大多數(shù)廠商都采用的基于碳化硅的氮化鎵射頻工藝，一種是Macom主導(dǎo)的基于硅的氮化鎵射頻工藝。兩種工藝各有優(yōu)劣。根據(jù)Qorvo的說(shuō)法，相比基于硅的氮化鎵，基于碳化硅的氮化鎵工藝有更高的功率密度、更好的熱傳導(dǎo)性。不過(guò)硅襯底比碳化硅襯底更便宜。Macom正在計(jì)劃將生產(chǎn)工藝從6英寸升級(jí)到8英寸，從而進(jìn)一步降低基于硅的氮化鎵射頻工藝現(xiàn)在大多數(shù)基于碳化硅的氮化鎵還是采用3英寸或4英寸晶圓生產(chǎn)，因此成本非常高，Qorvo計(jì)劃今年年底采用6英寸晶圓來(lái)生產(chǎn)基于碳化硅的氮化鎵?！吧?jí)以后Qorvo基于碳化硅的氮化鎵器件的產(chǎn)能大約翻一倍，”Qorvo物理器件研究員JoseJimenez說(shuō)道，“采用大尺寸晶圓生產(chǎn)氮化鎵器件以后，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施和商用市場(chǎng)都可以用上更便宜的氮化鎵器件?！敝悄苁謾C(jī)用氮化鎵器件？當(dāng)然，最大的疑問(wèn)還是智能手機(jī)能否用射頻氮化鎵工藝來(lái)做功放?，F(xiàn)在的4G手機(jī)不會(huì)用到氮化鎵器件，但未來(lái)的手機(jī)前端將有機(jī)會(huì)用到射頻氮化鎵工藝。如今的手機(jī)射頻前端模組包括功率放大器、射頻開(kāi)關(guān)及其他元器件（濾波器等）。用于放大輸入信號(hào)的功率放大器通常采用砷化鎵工藝。射頻開(kāi)關(guān)用于選擇從功放到天線的信號(hào)路徑，通常采用RFSOI工藝。在2G和3G時(shí)代，手機(jī)射頻前端都比較簡(jiǎn)單，2G有四個(gè)波段，3G有5個(gè)波段。但4G出現(xiàn)以后，射頻前端變得非常復(fù)雜，全球4G波段超過(guò)40個(gè)，而全球銷售的手機(jī)射頻模組必須支持這些4G標(biāo)準(zhǔn)?！皹?biāo)準(zhǔn)還在向前發(fā)展，特別是載波聚合技術(shù)引入以后。這些標(biāo)準(zhǔn)推廣開(kāi)以后，要滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求就給技術(shù)上提出了更多的挑戰(zhàn)。”GlobalFoundries的Rabbeni說(shuō)道，“看一下（手機(jī)的）整體架構(gòu)，在天線和射頻SoC之間增加了越來(lái)越多的元器件，這將影響到射頻性能，例如插入損耗和線性度。所以我們一直被客戶督促著提供更好性能的射頻工藝，特別是低噪聲放大器、功率放大器和開(kāi)關(guān)?！币粋€(gè)例子是現(xiàn)在的智能手機(jī)開(kāi)始采用多模多頻功率放大器。一部智能手機(jī)可能只需要采用兩顆（或許還要多些）功率放大器就能夠支持全球4G制式。雖然有不足，但智能手機(jī)廠商還是傾向于使用傳統(tǒng)砷化鎵工藝制造的功率放大器?！吧榛壋杀镜停阅芤矇蛴??！盨trategyAnalytics的Higham說(shuō)道。既然現(xiàn)在手機(jī)在射頻方面已經(jīng)遇到了困難，為什么不用射頻氮化鎵工藝制造的功率放大器呢？“氮化鎵器件天生適用于高壓（大于10V）應(yīng)用，雖然氮化鎵的高功率密度有可能減小功放的芯片面積?！迸_(tái)灣Wavetek銷售市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理DomingoHuang說(shuō)道，臺(tái)灣Wavetek是聯(lián)電旗下的一個(gè)專門從事砷化鎵代工的子公司?！暗F(xiàn)在手機(jī)使用的電壓范圍是3至5V，在這種電壓下，氮化鎵的性能要打很大折扣，”Huang說(shuō)道，“氮化鎵的高成本是阻止其進(jìn)入消費(fèi)電子領(lǐng)域的另一個(gè)障礙。如果將來(lái)智能手機(jī)的前端可以采用更高的電壓供電，那么氮化鎵技術(shù)或許是一個(gè)很好的備選項(xiàng)，當(dāng)然，首先要解決的是成本太高的問(wèn)題?！比缟纤?，氮化鎵功放適合3GHz以上的應(yīng)用。4G后面的5G技術(shù)將會(huì)使傳輸速率達(dá)到10Gbps，是目前4G速度的100倍，所以5G手機(jī)里面氮化鎵技術(shù)應(yīng)該能有一席之地。預(yù)計(jì)2020年5G開(kāi)始大規(guī)模商用部署，到時(shí)候5G不但兼容4G網(wǎng)絡(luò)，還會(huì)使用非授權(quán)或毫米波波段。毫米波指頻率為30GHz到300GHz的電磁波（譯者注：波長(zhǎng)為10毫米到1毫米，不過(guò)現(xiàn)在美日韓等國(guó)試驗(yàn)的28GHz頻段也被歸為毫米波）?！?G手機(jī)里面的射頻器件主要是砷化鎵和SOI，”Qorvo的Tomar說(shuō)道，“5G時(shí)代，砷化鎵和SOI器件還會(huì)需要，同時(shí)也會(huì)采用氮化鎵器件，尤其是在高頻段?！辈贿^(guò)，射頻氮化鎵要進(jìn)入5G手機(jī)還需要克服現(xiàn)有的一些難點(diǎn)。根據(jù)Qorvo的博客，氮化鎵技術(shù)進(jìn)入手機(jī)的困難主要在于以下三點(diǎn)：手機(jī)應(yīng)用需要氮化鎵器件工作在低電壓環(huán)境必須設(shè)計(jì)新封裝形式以滿足散熱要求成本太高同時(shí)，砷化鎵與其他三五價(jià)工藝也在開(kāi)發(fā)高頻應(yīng)用技術(shù)，如果成功的話，有可能會(huì)讓氮化鎵維持在小眾市場(chǎng)。為了推進(jìn)氮化鎵工藝，業(yè)界或許要重新考慮氮化鎵工藝