半導(dǎo)體技術(shù)在不斷提升，端設(shè)備對(duì)于半導(dǎo)體器件性能、效率、小型化要求的越來(lái)越高。尋找硅（Si）以外新一代的半導(dǎo)體材料也隨之變得更加重要。在50多年前被廣泛用于LED產(chǎn)品的氮化鎵（GaN），再次走入大眾視野。特別是隨著5G的逐步商用，也進(jìn)一步推動(dòng)了以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）代表的第三代半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展。

意法半導(dǎo)體功率晶體管部門(mén)，戰(zhàn)略市場(chǎng)、創(chuàng)新及重點(diǎn)項(xiàng)目經(jīng)理Filippo Di Giovanni

氮化鎵or碳化硅？誰(shuí)將成為5G時(shí)代的最大受益者？

意法半導(dǎo)體功率晶體管部門(mén)，戰(zhàn)略市場(chǎng)、創(chuàng)新及重點(diǎn)項(xiàng)目經(jīng)理Filippo Di Giovanni先生在與中電網(wǎng)記者的邀約采訪中稱，對(duì)于整個(gè)第三代半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是氮化鎵（GaN），5G開(kāi)始商用是一大利好。根據(jù)法國(guó)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)Yole Développement的調(diào)查報(bào)告，到2024年，寬帶隙射頻功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)20億美元。第三代半導(dǎo)體材料又稱寬帶隙材料，是那些帶隙寬度較大（Eg≥2.3 eV）的半導(dǎo)體材料，主流的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），以及非主流的氧化鋅（ZnO）、金剛石和氮化鋁（AlN）是第三代半導(dǎo)體技術(shù)的主要代表。

寬帶隙功率半導(dǎo)體

與第一代和第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體除能隙較寬外，擊穿場(chǎng)強(qiáng)、導(dǎo)熱率、電子飽和速率和抗輻射性也很出色。與硅、砷化鎵、鍺、甚至碳化硅器件相比，GaN器件的開(kāi)關(guān)頻率、輸出功率和工作溫度更高，適合1-110 GHz的高頻通信應(yīng)用，涵蓋移動(dòng)通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波通信，以及雷達(dá)應(yīng)用。集這些優(yōu)點(diǎn)于一身，GaN已被證明非常適合5G基站功率放大器，取代4G以及前幾代無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施廣泛應(yīng)用的LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）。目前，按照襯底材料是硅或SiC劃分，GaN射頻產(chǎn)品分為兩大類，每類都有各自優(yōu)缺點(diǎn)。

高能效、尺寸緊湊、低成本、高功率密度和高線性度是5G基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)射頻半導(dǎo)體器件的硬性要求。就寬帶性能、功率密度和能效而言，以硅LDMOS和GaAs為主要代表的傳統(tǒng)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于GaN HEMT技術(shù)，無(wú)論襯底是硅還是SiC，都是如此。正是這項(xiàng)技術(shù)滿足了5G應(yīng)用對(duì)散熱的嚴(yán)格要求，同時(shí)確保節(jié)省印刷電路板空間，滿足大規(guī)模MIMO天線陣列的安裝需求。在基站中，節(jié)省空間的多功能GaN MMIC芯片和多片模塊取代了分立設(shè)計(jì)。此外，5G新頻段射頻信號(hào)和數(shù)據(jù)處理硬件導(dǎo)致功耗不斷增加，使5G基站的整個(gè)供電系統(tǒng)，從電網(wǎng)容量到機(jī)柜尺寸、備用儲(chǔ)電系統(tǒng)、功率密度和電力電子設(shè)備的冷卻能力，不堪重負(fù)。因?yàn)樵诠β兽D(zhuǎn)換應(yīng)用方面的價(jià)值主張，例如，能效和功率密度比其它功率半導(dǎo)體技術(shù)更高，GaN再次成為5G熱點(diǎn)的最大受益者之一。

GaN技術(shù)將會(huì)走向何方？

自硅基器件推出至今已有超過(guò)70的歷史，而GaN技術(shù)的發(fā)展才剛剛開(kāi)始，對(duì)于GaN技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，F(xiàn)ilippo Di Giovanni先生稱，除射頻信號(hào)處理領(lǐng)域之外，僅在功率轉(zhuǎn)換方面，SiC和GaN有望引發(fā)一場(chǎng)技術(shù)革命，因?yàn)镾iC已經(jīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆變器，并沿著汽車(chē)大規(guī)模電動(dòng)化道路穩(wěn)步發(fā)展，而GaN的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使其更容易進(jìn)軍電源適配器、充電機(jī)、OBC（車(chē)載充電機(jī)）、數(shù)據(jù)中心、輕混汽車(chē)等所有的無(wú)處不在的應(yīng)用領(lǐng)域。功率GaN HEMT市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)2028年將達(dá)到17億美元，能效提高，尺寸縮小，以及所有的需求很大的功能，使其成為5G基站電源PSU的最佳解決方案。

5G時(shí)代不僅宏基站的密度將會(huì)更高，需要功率密度更高的基站收發(fā)臺(tái)，而且還會(huì)出現(xiàn)更小的網(wǎng)絡(luò)單元（“皮基站”和“飛基站” ），以增加網(wǎng)絡(luò)容量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。當(dāng)然，主要目標(biāo)是減輕宏基站的過(guò)重負(fù)擔(dān)。5G開(kāi)始商用還改變了射頻信號(hào)頻段，以及信號(hào)收發(fā)方式。當(dāng)前，我們看到的大多數(shù)移動(dòng)通信頻率是在3 GHz以下和3 GHz至6 GHz（低于6 GHz）的中頻段，不過(guò)，現(xiàn)在開(kāi)始出現(xiàn)以前被認(rèn)為不適合移動(dòng)通信的新頻段，例如，高于24 GHz的高頻毫米波。物聯(lián)網(wǎng)、V2V（車(chē)間通信）、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能制造等新興應(yīng)用刺激了對(duì)更高比特率和更短延遲的需求，迫使基站廠商采用基于多輸入和多輸出的新架構(gòu)，即可以處理大量信號(hào)的大規(guī)模MIMO（多輸入和多輸出）天線。預(yù)計(jì)基站有源天線波束成形技術(shù)將繼續(xù)取得進(jìn)步，最大限度地提高頻譜利用率。在5G開(kāi)始商用過(guò)程中，安裝小型蜂窩天線的部署將推動(dòng)市場(chǎng)對(duì)緊湊、高效的RF GaN器件的需求。關(guān)心大規(guī)模MIMO基站中5G信號(hào)處理電路功耗的設(shè)計(jì)人員，將更加注重半導(dǎo)體能效，進(jìn)而求助GaN供應(yīng)商開(kāi)發(fā)出更高性能的產(chǎn)品。

碳化硅襯底GaN的不足之處

5G受到追捧是有充足的理由的。根據(jù)CCS Insight的預(yù)測(cè)，到2023年，5G用戶數(shù)量將達(dá)10億，到2022年，5G蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施將承載近15％的全球手機(jī)流量。與LDMOS相比，GaN使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度，有助于降低基站的尺寸，并可以使用不太復(fù)雜的冷卻硬件。GaN在5G頻譜中的更高能效表現(xiàn)可以降低位/秒的運(yùn)營(yíng)成本以及環(huán)境影響。同樣，GaN更適應(yīng)高濕度、多灰塵、極熱和功率波動(dòng)的工作環(huán)境，性能受到的負(fù)面影響極小。

另一方面，5G的興起要求電信設(shè)備供應(yīng)商建立一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)且多廠供貨的彈性供應(yīng)鏈。GaN技術(shù)從典型的III-V制造工藝和晶圓廠到量產(chǎn)方法的過(guò)渡期是關(guān)鍵。在碳化硅襯底上生長(zhǎng)GaN的方法可能會(huì)受到襯底供應(yīng)緊張的困擾，而硅基GaN可以通過(guò)合理的性能折衷來(lái)滿足這一需求。為了避免任何可能的材料供應(yīng)問(wèn)題，意法半導(dǎo)體決定，開(kāi)發(fā)GaN使用硅襯底而不是碳化硅。

ST STPOWER產(chǎn)品組合助力5G發(fā)展

如果把整個(gè)基站視為一個(gè)系統(tǒng)，那么意法半導(dǎo)體的STPOWER（www.st.com/stpower）產(chǎn)品可以用于設(shè)計(jì)電源和功放兩個(gè)主要模塊。為了充分利用5G的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)人員必須依靠新的頻譜來(lái)滿足未來(lái)的數(shù)據(jù)容量需求，這意味著整合集成度更高的微波/毫米波收發(fā)器、可編程IC、高能效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和高功率、低噪聲功率放大器（PA），使基站小型化。最后，這些5G基站必須集成大規(guī)模MIMO天線，實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。其結(jié)果是，需要各種最新的電源來(lái)為5G基站子系統(tǒng)供電。隨著5G的部署，基站數(shù)量將會(huì)增加。舉例來(lái)說(shuō)，從2019年到2022年，中國(guó)將為5G建設(shè)或重建超過(guò)200萬(wàn)個(gè)基站。在發(fā)展過(guò)程中，未來(lái)幾年典型基站的峰值功耗將大大增加。如今，典型的2T2R（2發(fā)射器，2接收器）基站的峰值功耗為8 kW，峰值功耗在3年后將提高到14 kW，5年后增加到18 kW，這是由于在現(xiàn)有頻帶中應(yīng)用了毫米波和新技術(shù)。

為符合最嚴(yán)格的能效要求，支持這一市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，意法半導(dǎo)體提供STPOWER產(chǎn)品組合，包括硅功率解決方案和SiC MOSFET和二極管，以及整流器和TRIAC晶閘管。關(guān)于功率放大器，意法半導(dǎo)體與射頻和電信應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先專業(yè)廠商MACOM合作，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的專用的硅基GaN HEMT晶體管。在一個(gè) 5年期內(nèi)，5G基礎(chǔ)設(shè)施投資規(guī)模有望大幅增長(zhǎng)，功率放大器需求量將擴(kuò)大32-64倍，這意味著放大器成本將降低一個(gè)量級(jí)。

小結(jié)

近期，高層頻繁點(diǎn)名新基建，5G基站的建設(shè)將迎來(lái)高峰，這給致力于5G發(fā)展的半導(dǎo)體廠商帶來(lái)機(jī)遇。意法半導(dǎo)體已經(jīng)在供應(yīng)為5G高效電源設(shè)計(jì)的功率晶體管，還將推出首批650 V功率GaN產(chǎn)品，在補(bǔ)充現(xiàn)有產(chǎn)品線的同時(shí)，該產(chǎn)品還能突破硅片的極限，大幅度提高能效。作為世界級(jí)供應(yīng)商，意法半導(dǎo)體還提供650 V和1200 V的SiC MOSFET，為更多的用戶帶來(lái)寬帶隙材料的優(yōu)勢(shì)。在SiC MOSFET中，意法半導(dǎo)體正在建立一個(gè)穩(wěn)定的供應(yīng)鏈，得益于瑞典Norstel AB并購(gòu)案，完成了一次完全垂直的供應(yīng)鏈整合。同時(shí)，硅襯底GaN射頻產(chǎn)品正在設(shè)計(jì)中，這將使意法半導(dǎo)體能夠最大程度地?cái)U(kuò)大產(chǎn)品組合。
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