GaN是5G最好選擇 手機端應用現實嗎？

超密集組網通過增加基站部署密度，可實現頻率復用效率的巨大提升，並且帶來可觀的容量增長，未來隨著基站數量的增加，基站內射頻器件的需求也將隨之大幅提升。高通預測，射頻前端的市場規模預估到2020年將達到180億美元。Small Cell Forum預測，全球小基站市場空間有望在2020年超過60億美元。

Qorvo亞太區FAE高級經理楊嘉

有業內分析師就表示，3.5GHz以上所有宏基站部署將看到GaN逐步取代LDMOS，同時，GaAs也將從小型基站網路的需求增長中受益。Qorvo亞太區FAE高級經理楊嘉也表示：「小基站及Massive MIMO的飛速發展，會對集成度要求越來越高， GaN自有的先天優勢會加速功率器件集成化的進程。5G將會帶動GaN這一產業的飛速發展。」 不過另有業內人士對記者表示：「GaN射頻器件憑藉非常好的頻率特性確實是5G的最好選擇，但系統中的其他器件沒有那麼好的頻率特性與之匹配，GaN器件的優勢目前來說還不能很好的發揮。」

MACOM無線產品中心資深總監成鋼

因此有人擔心在基站應用里用氮化鎵實在過於昂貴，氮化鎵的功率密度優勢會因其成本過高而被抵消。對此，MACOM無線產品中心資深總監成鋼表示：「氮化鎵(尤其是硅基氮化鎵)為降低5G系統射頻前端成本提供了一個明確的途徑。推動集成將進一步降低半導體器件的成本，這將把成本挑戰轉移到封裝和測試上。在毫米波應用的情況下，封裝解決方案將提供支持而非帶來挑戰，5G陣列設計將成為射頻前端實現低成本製造的關鍵。封裝解決方案將帶來獨特的熱性能和電氣性能挑戰，必須一一應對這些挑戰，系統才能實現低成本。封裝解決方案還必須進行高速、低成本的高頻自動化測試，以便進一步降低成本。MACOM在高頻設計和封裝創新方面具有數十年經驗，為我們當前的解決方案打下了堅實的基礎。」楊嘉也表示：「隨著6寸晶元的普及及更先進的封裝技術如QORVO LCOR可以有效地降低使用成本。隨著規模應用，GaN的成本也會隨著下降。」

既然對GaN在5G基站中的應用前景看好，那麼隨著手機射頻前端複雜性的增加， GaN射頻器件應用於5G手機提升性能和集成度是否可行?成鋼表示：「關於氮化鎵在移動設備中的作用，存在很多的討論和爭議。氮化鎵的技術優勢來源於材料可承受較大的臨界電場。這是能夠在很高電壓下工作的原因。器件的阻抗與電壓的平方成比例。受電池技術限制，移動設備通常被認為是低電壓設備，從而導致氮化鎵的性能優勢不明顯。移動設備電源管理要求與射頻器件技術特性關係的整體分析將指出正確的解決方案。這與氮化鎵的高電壓和高功率能力大放異彩的基站和其他固定應用大相徑庭。」

楊嘉進一步指出：「以目前的技術， 手機不太可能用到GaN，主要挑戰有2個，一個是GaN的成本過高，另一個是GaN的供電電壓太高，不適合手機。」不過，未來通過改進GaN射頻器件仍然有可能應用於手機。有業內專家表示：「一種可能是改變氮化鎵的結構。氮化鎵採用的是場效應管(FET)結構，而手機功放則是用異質雙結型晶體管(HBT)結構，HBT結構的效率和線性度更好。氮化鎵射頻器件可以考慮垂直結構，或者加入新的溝道材料和絕緣介質，以使其適應低電壓的工作環境。另外，氮化鎵工藝必須縮小工藝尺寸。現在氮化鎵工藝尺寸正在從0.25微米至0.5微米向0.15微米轉換，一些領導廠商甚至在嘗試60納米。只有時間才能檢驗射頻氮化鎵工藝能否適合手機應用，不過射頻氮化鎵工藝已經在改變整個格局。「

因此從長遠的角度看，GaN將取代傳統的半導體材料用於5G網路，低電壓 GaN所提供的效能或將不可避免地進入手機設備。另外，GaN在高溫環境中運行的特性也非常適合被動製冷、汽車等應用。成鋼表示：「GaN已成為射頻器件技術的重要經濟力量，正在瓜分4G應用中LDMOS市場的市場份額。MACOM相信，隨著小基站和5G解決方案向毫米波領域逐漸延伸，硅基氮化鎵器件技術的總體市場將顯著擴大。「筆者認為，雖然氮化鎵最初是為支持政府軍事和太空項目而開發，IED干擾器、軍事通訊、雷達、電子對抗等應用也將讓氮化鎵在國防應用市場保持穩定增長，但主流商業市場對這一新技術的完全接受將使GaN在無線基礎設施的應用遠超國防應用。

總結來看，憑藉更高頻率密度、更高截至頻率及耐高溫等特性，GaN不僅能夠滿足5G射頻前端的需求，也能夠很好的滿足5G小基站的需求。不過trapping效應需要從應用端解決、功耗問題需要從GaN自身去解決，更為關鍵的高成本問題則影響著GaN的普及應用。至於在移動設備中的應用，目前受制於成本和電壓的問題應用還不現實，但隨著GaN技術的進步，我們有理由相信在5G時代GaN將取代傳統的半導體材料，得到更加廣泛的應用。

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