GaN是5G最好选择 手机端应用现实吗？

超密集组网通过增加基站部署密度，可实现频率复用效率的巨大提升，并且带来可观的容量增长，未来随着基站数量的增加，基站内射频器件的需求也将随之大幅提升。高通预测，射频前端的市场规模预估到2020年将达到180亿美元。Small Cell Forum预测，全球小基站市场空间有望在2020年超过60亿美元。

Qorvo亚太区FAE高级经理杨嘉

有业内分析师就表示，3．5GHz以上所有宏基站部署将看到GaN逐步取代LDMOS，同时，GaAs也将从小型基站网络的需求增长中受益。Qorvo亚太区FAE高级经理杨嘉也表示：“小基站及Massive MIMO的飞速发展，会对集成度要求越来越高， GaN自有的先天优势会加速功率器件集成化的进程。5G将会带动GaN这一产业的飞速发展。” 不过另有业内人士对记者表示：“GaN射频器件凭借非常好的频率特性确实是5G的最好选择，但系统中的其他器件没有那么好的频率特性与之匹配，GaN器件的优势目前来说还不能很好的发挥。”

MACOM无线产品中心资深总监成钢

因此有人担心在基站应用里用氮化镓实在过于昂贵，氮化镓的功率密度优势会因其成本过高而被抵消。对此，MACOM无线产品中心资深总监成钢表示：“氮化镓（尤其是硅基氮化镓）为降低5G系统射频前端成本提供了一个明确的途径。推动集成将进一步降低半导体器件的成本，这将把成本挑战转移到封装和测试上。在毫米波应用的情况下，封装解决方案将提供支持而非带来挑战，5G阵列设计将成为射频前端实现低成本制造的关键。封装解决方案将带来独特的热性能和电气性能挑战，必须一一应对这些挑战，系统才能实现低成本。封装解决方案还必须进行高速、低成本的高频自动化测试，以便进一步降低成本。MACOM在高频设计和封装创新方面具有数十年经验，为我们当前的解决方案打下了坚实的基础。”杨嘉也表示：“随着6寸晶元的普及及更先进的封装技术如QORVO LCOR可以有效地降低使用成本。随着规模应用，GaN的成本也会随着下降。”

既然对GaN在5G基站中的应用前景看好，那么随着手机射频前端复杂性的增加， GaN射频器件应用于5G手机提升性能和集成度是否可行？成钢表示：“关于氮化镓在移动设备中的作用，存在很多的讨论和争议。氮化镓的技术优势来源于材料可承受较大的临界电场。这是能够在很高电压下工作的原因。器件的阻抗与电压的平方成比例。受电池技术限制，移动设备通常被认为是低电压设备，从而导致氮化镓的性能优势不明显。移动设备电源管理要求与射频器件技术特性关系的整体分析将指出正确的解决方案。这与氮化镓的高电压和高功率能力大放异彩的基站和其他固定应用大相径庭。”

杨嘉进一步指出：“以目前的技术， 手机不太可能用到GaN，主要挑战有2个，一个是GaN的成本过高，另一个是GaN的供电电压太高，不适合手机。”不过，未来通过改进GaN射频器件仍然有可能应用于手机。有业内专家表示：“一种可能是改变氮化镓的结构。氮化镓采用的是场效应管（FET）结构，而手机功放则是用异质双结型晶体管（HBT）结构，HBT结构的效率和线性度更好。氮化镓射频器件可以考虑垂直结构，或者加入新的沟道材料和绝缘介质，以使其适应低电压的工作环境。另外，氮化镓工艺必须缩小工艺尺寸。现在氮化镓工艺尺寸正在从0．25微米至0．5微米向0．15微米转换，一些领导厂商甚至在尝试60纳米。只有时间才能检验射频氮化镓工艺能否适合手机应用，不过射频氮化镓工艺已经在改变整个格局。“

因此从长远的角度看，GaN将取代传统的半导体材料用于5G网络，低电压 GaN所提供的效能或将不可避免地进入手机设备。另外，GaN在高温环境中运行的特性也非常适合被动制冷、汽车等应用。成钢表示：“GaN已成为射频器件技术的重要经济力量，正在瓜分4G应用中LDMOS市场的市场份额。MACOM相信，随着小基站和5G解决方案向毫米波领域逐渐延伸，硅基氮化镓器件技术的总体市场将显著扩大。“笔者认为，虽然氮化镓最初是为支持政府军事和太空项目而开发，IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等应用也将让氮化镓在国防应用市场保持稳定增长，但主流商业市场对这一新技术的完全接受将使GaN在无线基础设施的应用远超国防应用。

总结来看，凭借更高频率密度、更高截至频率及耐高温等特性，GaN不仅能够满足5G射频前端的需求，也能够很好的满足5G小基站的需求。不过trapping效应需要从应用端解决、功耗问题需要从GaN自身去解决，更为关键的高成本问题则影响着GaN的普及应用。至于在移动设备中的应用，目前受制于成本和电压的问题应用还不现实，但随着GaN技术的进步，我们有理由相信在5G时代GaN将取代传统的半导体材料，得到更加广泛的应用。（作者：包永刚）