5G时代，PA大战开始

5G基站对功率放大器芯片和其他射频设备的需求不断增加，使不同公司和技术之间开始激烈PK。

功率放大器是提高基站射频功率信号的关键部件，它基于两种有竞争力的技术，硅基LDMOS或射频GaN（GaN）。GaN是一种III-V技术，其性能优于LDMOS，是5G高频需求的理想选择，但GaN价格昂贵，并在制造过程中存在一些挑战。LDMOS虽也有一些局限性，但它并不会消失。

5G是一个快速发展但复杂的市场，在供应链的一部分，设备制造商在工厂制造功率放大器之类的射频芯片，从那里设备被运送到基站供应商进行集成。所谓的宏基站是一个位于蜂窝塔台上的系统，它在广域范围内提供射频无线覆盖。

上一代3G基站的功率放大器件一般是基于LDMOS的，LDMOS是一种成熟且价格低廉的技术，在4G基站市场占据了先机。随着时间的推移，GaN功率放大器开始替代LDMOS，在4G领域取得了重大进展。功率放大器是在基站和其他系统中将低功率射频信号转换为高功率信号的小型电路。

基于GaN的功放在5G领域也越来越受欢迎，与4G一样，中国的基站供应商正在采用基于GaN的功放设备，以在中国初步部署5G系统，而其他基站供应商也在效仿。

这里有几个原因：5G是一种比现在的4G更快的下一代无线技术，目前正在两个不同的领域部署——Sub-6GHz和毫米波（28GHz及以上）。一般来说，在较高的频率下，LDMOS能量不足，这就需要GaN。与LDMOS相比，GaN具有更高的功率密度和更宽的工作频率范围。

“5G基础设施中对密集、小型天线阵列的需求导致了射频系统中功率和热管理方面的关键挑战。随着宽带性能、效率和功率密度的提高，GaN器件为解决这些挑战提供了更紧凑解决方案的潜力。”Lam Research战略营销董事总经理David Haynes说。

不过，LDMOS不会消失的。一些移动运营商正在为5G部署低频和高频频段。LDMOS适合于较低频段。因此，GaN和LDMOS都将在5G中找到一席之地。“在macro stations，GaN在华为4G LTE基础设施设备中广泛采用后，逐渐从LDMOS手中抢占市场份额，”Yole Dédevelopement分析师Ezgi Dogmus说。“在5G的6GHz以下频段，我们看到LDMOS和GaN在低功率有源天线系统中的激烈竞争。GaN正在需要大带宽容量的频段中采用。”

不管怎样，这个数字是惊人的。据Yole称，到2025年，GaN射频市场的总规模将从7.4亿美元增加到20亿美元以上，复合年增长率为12%。电信基础设施和军用雷达是射频GaN的主要驱动力。IBS CEO Handel Jones则表示，中国在2019年建成13万个5G基站，计划在2020年再安装50万个。Jones说，到2024年，中国的目标是部署600万套系统。日本、韩国、美国等也在大力推进5G。

数字并不能说明全部情况。RF-GaN市场还包括如下几项注意点：

GaN晶体管栅极长度在1μm，目前有些正在开发90nm及以下工艺。

RF-GaN供应商正在从100毫米扩展到150毫米晶圆尺寸，以降低成本。

大多数RF-GaN器件使用碳化硅（SiC）衬底，几家供应商正在为RF-GaN开发有竞争力的硅衬底。

美国和中国正在进行一场贸易战，许多美国芯片供应商被禁止向华为销售产品。

基站的演进

今天的无线网络围绕着4G-LTE标准，它的工作频段从450MHz到3.7GHz。4G速度快且复杂，它包括40多个频段，再加上2G和3G频段。

4G LTE网络由三部分组成——核心网络、无线接入网络（RAN）和终端用户设备（如智能手机）。由移动运营商运营，核心网络处理网络中的所有功能。

RAN由巨大的蜂窝塔组成，这是基站所在的地方。RAN基本上是一个中继系统，在一个给定的区域内有大量的基站。

基站本身由两个独立的系统组成，即建筑基带单元（BBU）和远程无线电头（RRH）。位于基站上的BBU处理射频处理功能。它是基站和核心网之间的接口。

RRH位于基站塔顶部，由三个左右的大长方形盒子组成。天线单元位于塔顶。RRH处理射频信号的转换，而天线发射和接收信号。

RRH盒内有一组芯片，由发射和接收链组成。简单地说，在单元中接收数字信号，然后转换成模拟信号，上变频为射频频率，经过放大、滤波，然后通过天线发送出去。

“一个相对高端的LTE基站可能有四个发射机。”研究公司Mobile Experts的分析师Dan McNamara说：“在每座基站上，都会有四个功率放大器发出信号，捕捉并发送给客户。每一个信号塔上其实有三组基站，都按照信号从塔中辐射出去的方式来处理一个特定的圆圈。所以，实际上有12个发射器。”

同时，运营商现在正在部署5G，与4G相比，5G有望提供移动网络速度，延迟降低10倍，吞吐量提高10倍，频谱效率提高3倍。ASE的研究员Sheng Chi-Hsieh说道：“移动通信系统正在从4G向5G迁移，新的无线电（NR）频段分布在两个定义的频率范围（FR），即FR1:450MHz到6GHz和FR2:24.25GHz到52.6GHz。主要面向三大应用，分别是大规模物联网、低延迟和增强型移动宽带（eMBB），分别用于大规模连接、超高可靠性和低延迟以及容量增强。”

每个国家都有不同的5G战略。对于5G，中国使用3.5GHz作为频率，5G基站类似于4G系统，但规模要大得多。

图1：宏基站和天线的演变。来源：5G美国

与4G中的12条传输链不同，5G中有32条或64条传输链。“5G中的等效系统将在每个无线时间内有32或64个功率放大器，这需要大量的元器件。”McNamara说道。

下一步是将部分或全部RRH集成到天线中，这些综合基站利用大量的MIMO天线系统。结合微型天线、大规模MIMO、波束成形技术等与用户通信。

与此同时，在美国，5G是碎片化的，一些电信公司正在部署更快版本的5G，使用28GHz的毫米波频率。如今，毫米波仅限于固定无线业务，这将是一个面临各种挑战的利基市场。

当运营商开始部署3.7GHz的C波段技术时，美国5G的大规模部署将出现，但C波段部署的时间尚不清楚。

GaN与LDMOS

一般来说，5G基站将采用基于GaN的高频率功率放大器，而LDMOS在较低波段中。

多年来，基站采用了基于LDMOS晶体管技术的功率放大器芯片，LDMOS晶体管是一种类似MOSFET的横向器件，它有一个源，一个闸和一个漏。

LDMOS与MOSFET略有不同，源极与晶圆背面的P+衬底相连，这使得晶片背面成为晶体管的源极连接，包括Ampleton、NXP等公司都在销售LDMOS产品。

以硅为基础，在200mm晶圆厂中加工LDMOS，制程为0.14μm。LDMOS晶体管用于开发基站标准Doherty功率放大器芯片，Doherty功率放大器架构有两个放大器部分，使系统的效率更高。

LDMOS仍在不断改进，但可以说它在2GHz以上的频率上遇到了问题。Cree公司Wolfspeed部门的副总裁兼射频产品总经理Gerhard Wolf说：“历史上，GSM的频率是900MHz，然后是1.8GHz和2.1GHz。在这些传统频段，LDMOS占主导地位。然后，你还拥有2.69GHz频段7和41，并不断提高。与LDMOS相比，GaN在更高频率下的效率更高，尤其是在3.5GHz水平上的效率更高。”

GaN是一种宽禁带技术，宽禁带是指电子从轨道上挣脱所需的能量。GaN的带隙为3.4ev，而硅仅为1.1ev。

与其他技术相比，GaN器件具有更好的特性，实现更高功率，GaN还可以实现更高的瞬时带宽，这意味着系统中需要的放大器更少。

但是射频GaN比LDMOS昂贵许多，同时线性度也是射频GaN的一个问题，这涉及到功率放大器在不失真的情况下放大信号的能力。

GaN制造高电子迁移率晶体管（HEMTs），GaN是材料，HEMT是器件结构。GaN-HEMT是一种具有源、栅和漏极的横向器件。电流从源极流向漏极，由栅极控制。

和LDMOS一样，射频GaN也被用来开发功率放大器芯片。例如，在最近的一篇论文中，住友描述了一种基于GaN的宽带Doherty放大器的开发，两级放大器由一个用于载流子部分的GaN晶体管和用于峰值部分的两个晶体管组成，每一个晶体管都有一对180瓦的GaN芯片。

GaN并不是新晋者，它可以追溯到20世纪70年代，当时RCA设计了一种基于GaN的LED。20年前，美国资助了用于军事/航空航天应用的GaN的开发，GaN还用于有线电视放大器、LED和功率半导体。

2014年，当华为在其4G基站中安装了基于GaN的功率放大器时，RF-GaN市场开始起步。当时，LDMOS主导着这片土地，但很快就改变了。NXP射频产品发布和全球分销经理Gavin Smith说：“在最初的4G推出和部署过程中，LDMOS技术是主要技术，确实也主导了市场。随着4G开始逐渐衰落，GaN技术开始为下一代基础设施进行测试和尝试。我们看到了技术需求和需求的这种转变，并开始改变策略，准备好部署LDMOS和GaN联合解决方案的5G部署。”

与此同时，华为等公司一直在中国安装5G基站。与4G一样，中国的原始设备制造商也在采用基于GaN的功率放大器，而其他基站原始设备制造商也纷纷效仿。

“LDMOS在5G FR1的高频段是极限了，现在选择的是GaN on SiC。”UMC旗下Wavetek的CTO Barry Lin说。“GaN器件的优点之一是具有高导带的高导带和宽的射频通信带宽。GaN on SiC RF适用于48V Doherty放大器，以实现5G基站大功率放大器的高效率、高耐用性。”

所以LDMOS不会消失，中国的一些运营商正在部署低频5G频段，LDMOS可能在这方面发挥作用。

当行业迁移到成熟的毫米波5G网络时，运营商也可能部署一系列小型基站。对于小型电池，有几种技术正在发挥作用。Lin说：“GaN on Si射频已经被证明是一种非常适合28V或48V小电池功率放大器的候选器件。GaN器件可以提供非常宽的频带，高效率，低噪声性能，适合未来的MMIC TRX和功率放大器在毫米波段的5G FR2应用。”

量产GaN

第一波5G基站已经部署完毕，现在，设备制造商正在开发新的基于GaN的功率放大器芯片，希望抓住下一波5G基站部署浪潮。Cree、Fujitsu、Mitsubishi、NXP、Qorvo、Sumitomo等公司在RF GaN设备市场上展开竞争。Yole分析师Ahmed Ben Slimane说：“此外，在美中贸易战之后，众多中国企业正试图在内部开发用于5G基础设施的GaN RF，而一些美国公司的市场份额有所下降。”。

在最近的IMS2020会议上，一些公司提交了关于RF-GaN下一步发展方向的论文。其中：

Fraunhofer 演示了一个工作在200GHz以上的G波段GaN功率放大器。

NXP展示了一种效率为65%的300W GaN功率放大器。

Qorvo披露了其最新的90nm GaN工艺，GaN晶体管的PAE峰值为51%。

HRL研制出梯度沟道GaN-HEMTs，PAE为75%。

射频GaN继续改进，但相对昂贵。提高效率是另一个挑战，动态电阻往往是不容易控制的。

为了降低成本，射频GaN厂商正在采取迁移到更大尺寸的晶圆、改善晶圆厂的工艺流程等措施。

如前所述，GaN-HEMT是一种具有源极、栅极和漏极的横向器件，根据Qorvo的说法，门沟道长度决定了设备的速度，沟道越小速度越快。

电压随栅极长度而变化，Qorvo 5G基础设施部门主管James Nelson说：“当采用更小的栅极几何结构时，就不能摆动那么大的电压，这就限制了你的功率。”

在射频GaN中，最先进的栅极长度为90nm，供应商主要销售的产品栅极长度为0.15µm至0.5µm。

每种技术都有它的市场。“0.15µm是最先进的工艺之一，我们也有更高的制程。”Nelson说。“对于3.5GHz基站，您不会使用0.15µm GaN工艺，我们有一个0.5µm的工艺，可以达到65伏特，这是针对雷达等应用。此外，我们有另一个48V制程工艺，这是常见的基站。然后，0.15µm的制程电压可以在28到20伏之间。”

然而，在Fab中，RF-GaN工艺从衬底的开发刚刚开始，RF-GAN目前主要衬底是SiC（GaN-on-SiC），100毫米晶圆，目前150毫米晶圆工艺正在开始进行。GaN-on-SiC有它的优点和缺点，它具有很高的热导率，但SiC基板在生产过程中容易产生缺陷且基板价格昂贵。

有些公司则采用硅衬底的GaN，硅材料可以实现200毫米晶圆，从而使每个晶圆切割更多芯片，从而降低制造成本。

Cree/Wolfspeed CEO John Palmour说：“保守地说，95%的市场都是GaN-on-SiC。GaN-on-Si的想法是衬底便宜，但硅的导热系数是碳化硅的三分之一，散热要困难得多。为了弥补这一点，必须使GaN-on-silicon的器件更大，所以并不一定真的节约成本。”

最终，每种技术都会有自己的定位。Haynes说：“GaN-on-SiC将专注于最高功率和性能的应用，而GaN-on-Si将致力于更具成本敏感性的应用，这是因为硅上GaN提供了CMOS兼容性、利用更大晶圆尺寸和更先进的晶圆制造技术的能力，以及将GaN技术与多芯片模块中的其他解决方案相结合。”

不管衬底类型如何，下一步是使用MOCVD生长外延层。

首先，在基板上生长缓冲层，接着是沟道层，然后是阻挡层。这种将电子从源极传输到漏极的通道是基于GaN的。

Qorvo称，缓冲层是以掺杂碳或铁的GaN材料为基础的，可以防止电子进入衬底。以氮化铝镓（AlGaN）为基础隔离栅和沟道。

Veeco产品营销部高级经理Ronald Arif说：“顶层通常是一层薄薄的AlGaN层，在下面覆盖几微米厚的GaN层，形成高速导电通道所需的二维电子层。用MOCVD在SiC上生长GaN是一个成熟的过程。出于成本和集成度的考虑，业界更倾向于在硅衬底上生长GaN材料。但这在材料质量、均匀性和缺陷方面提出了重大挑战。”

之后是在电极上形成源极，然后，沉积一层氮化硅。然后是Gate极，在设备上，蚀刻系统蚀刻出一个小开口，金属沉积在开口处。栅极蚀刻工艺过程会对GaN表面的底部和侧壁造成损伤。因此，供应商正在探索使用原子层蚀刻（ALE）来制作GaN。ALE在原子尺度上去除物质，但这是一个缓慢的过程。因此ALE可以与传统的GaN刻蚀工艺结合使用。

“这可能需要一套蚀刻工艺来解决GaN-HEMT的独特挑战。”Haynes说。“这包括利用ALE实现原子精确、超低损伤和高选择性的GaN/AlGaN结构腐蚀。使用这种方法，我们已经证明，与传统的稳态刻蚀工艺相比，刻蚀后GaN薄膜的电阻降低了2倍，表面粗糙度与沉积外延薄膜相当。这些改进直接提高器件的性能和可靠性。”

最后，基底变薄，底部金属化。根据Qorvo的说法，通孔是在基板的顶部和底部之间形成的，这可降低电感。

其他

多年来，厂商们一直在讨论使用GaN作为智能手机的功率放大器，目前手机主要使用砷化镓（GaAs）工艺作为功率放大器。

GaN对于智能手机来说太贵了，但另一方面，GaN在其他几个市场也获得了越来越多的关注，使其成为众多值得关注的技术之一。