如今，電子業(yè)正邁向4G的終點(diǎn)、5G的起點(diǎn)。 后者發(fā)展上仍有不少進(jìn)步空間，但可以確定，新一代無線電網(wǎng)絡(luò)勢必需要更多組件、更高頻率做支撐。對此，市研機(jī)構(gòu)Yole發(fā)布的「2017年RF功率市場與科技報告」指出，RF功率市場可望以將近二位數(shù)的年復(fù)合成長率（GAGR）迅速成長；同時，氮化鎵（GaN）將逐漸取代橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS），成為市場主流技術(shù)。

不同材料的能隙與擊穿電壓對比

現(xiàn)行GaN功率元件以GaN-on-SiC及GaN-on-Si兩種晶圓進(jìn)行制造，其中GaN-on-SiC強(qiáng)調(diào)適合應(yīng)用在高溫、高頻的操作環(huán)境，因此在散熱性能上具優(yōu)勢，其以5G基地臺應(yīng)用最多，預(yù)期SiC基板未來在5G商用帶動下，具有龐大市場商機(jī)。

典型GaN射頻器件的工藝流程

典型的GaN射頻器件的加工工藝主要包括如下環(huán)節(jié)：外延生長-器件隔離-歐姆接觸（制作源極、漏極）-氮化物鈍化-柵極制作-場板制作-襯底減薄-襯底通孔等環(huán)節(jié)。

外延生長

采用金屬氧化物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）或分子束外延（MBE）方式在SiC或Si襯底上外延GaN材料。

器件隔離

采用離子注入或者制作臺階（去除掉溝道層）的方式來實(shí)現(xiàn)器件隔離。射頻器件之間的隔離是制作射頻電路的基本要求。

歐姆接觸

形成歐姆接觸是指制作源極和漏極的電極。對GaN材料而言，制造歐姆接觸需要在很高的溫度下完成。

氮化物鈍化

在源極和漏極制作完成后，GaN半導(dǎo)體材料需要經(jīng)過鈍化過程來消除懸掛鍵等界面態(tài)。GaN的鈍化過程通常采用SiN（氮化硅）來實(shí)現(xiàn)。

柵極制作

在SiN鈍化層上開口，然后沉積柵極金屬。至此，基本的場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)就成型了。

場板制作

柵極制作完成后，繼續(xù)沉積額外的幾層金屬和氮化物，來制作場板、互連和電容，此外，也可以保護(hù)器件免受外部環(huán)境影響。

襯底減薄

襯底厚度減薄至100μm左右，然后對減薄后的襯底背部進(jìn)行金屬化。

襯底通孔

通孔是指在襯底上表面和下表面之間刻蝕出的短通道，用于降低器件和接地(底部金屬化層)之間的電感。

5G高頻特性，GaN技術(shù)伸展空間巨大

目前基地臺用功率放大器(Power Amplifier，PA)主要為基于硅的橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體LDMOS技術(shù)，不過LDMOS技術(shù)僅適用于低頻段，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。

換言之，GaN優(yōu)勢在于更高功率密度及更高截止頻率(Cutoff Frequency，輸出訊號功率超出或低于傳導(dǎo)頻率時輸出訊號功率的頻率)，尤其在5G多輸入多輸出(Massive MIMO)應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)高整合性解決方案，例如模塊化射頻前端元件，以毫米波(Millimeter Wave，mmWave)應(yīng)用為例，GaN高功率密度特性可有效減少收發(fā)通道數(shù)及尺寸，實(shí)現(xiàn)高性能目標(biāo)，然短期LDMOS會與GaN共存，主要原因在于低頻應(yīng)用仍會采用LDMOS，例如2GHz以下應(yīng)用領(lǐng)域。

通常來說，采用GaN技術(shù)可降低天線陣列功耗，透過整合式多通道模塊、3～6GHz及28/39GHz頻段在射頻前端產(chǎn)品的布局，更加強(qiáng)調(diào)高性能、低功耗、高整合度、高易用性等目標(biāo)達(dá)成。

以Qorvo3月推出的GaN-on-SiC晶體管QPD1025來看，其無需結(jié)合放大器的復(fù)雜操作便可實(shí)現(xiàn)數(shù)千瓦的解決方案，能夠大幅節(jié)省客戶的時間和成本。與LDMOS相比，QPD1025的漏極效率有了顯著提升，效率高出近15個百分點(diǎn)。

由于GaN具有更高功率密度特性，能實(shí)現(xiàn)更小元件封裝，滿足Massive MIMO和主動天線單元(Active Antenna Unit，AAU)技術(shù)下射頻前端高度整合需求。目前GaN運(yùn)用以5G基礎(chǔ)設(shè)施(如基地臺)為主，手機(jī)較難采用GaN技術(shù)。主要挑戰(zhàn)包括：

(1)GaN成本高；

(2)GaN供電電壓高；

無論如何，GaN已成為高頻、大功耗應(yīng)用技術(shù)首選，包括需高功率水平的傳輸訊號或長距離應(yīng)用，例如基地臺收發(fā)器、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等。Qorvo提供業(yè)內(nèi)種類最多、最具創(chuàng)意的GaN-on-SiC產(chǎn)品組合，其產(chǎn)品具有高功率密度、小尺寸、增益出色、高可靠性和工藝成熟的特點(diǎn)，早在2000年就開始批量生產(chǎn)。