5G 手机功率放大器(PA)用量翻倍增长:PA 是一部手机最关键的器件之一,它直接决定了手机无线通信的距离、信号质量,甚至待机时间,是整个射频系统中除基带外最重要的部分。手机里面 PA 的数量随着 2G、3G、4G、5G 逐渐增加。以 PA 模组为例,4G 多模多频手机所需的 PA 芯片为5-7 颗,预测 5G 手机内的 PA 芯片将达到 16 颗之多。
5G 手机功率放大器(PA)单机价值量有望达到 7.5 美元:同时,PA 的单价也有显著提高,2G 手机用 PA 平均单价为 0.3 美金,3G 手机用 PA 上升到 1.25 美金,而全模 4G 手机 PA 的消耗则高达 3.25 美金,预计 5G 手机PA 价值量达到 7.5 美元以上。
但是到了 4G 时代,由于 Si 材料存在高频损耗、噪声大和低输出功率密度等缺点,RF CMOS 已经不能满足要求,手机射频功放重新回到 GaAs 制程完全主导的时代。与射频功放器件依赖于 GaAs 材料不同,90%的射频开关已经从传统的 GaAs 工艺转向了 SOI(Silicon on insulator)工艺,射频收发机大多数也已采用 RF CMOS 制程,从而满足不断提高的集成度需求。
5G 时代,GaN 材料适用于基站端。在宏基站应用中,GaN 材料凭借高频、高输出功率的优势,正在逐渐取代 Si LDMOS;在微基站中,未来一段时间内仍然以 GaAs PA 件为主,因其目前具备经市场验证的可靠性和高性价比的优势,但随着器件成本的降低和技术的提高,GaN PA 有望在微基站应用在分得一杯羹;在移动终端中,因高成本和高供电电压,GaN PA 短期内也无法撼动 GaAs PA 的统治地位。
二、5G基站,PA数倍增长,GaN 大有可为 1. 5G基站,射频 PA 需求大幅增长
5G 基站 PA数量有望增长16倍。4G 基站采用 4T4R 方案,按照三个扇区,对应的 PA 需求量为 12 个,5G 基站,预计 64T64R 将成为主流方案,对应的 PA 需求量高达 192 个,PA 数量将大幅增长。
5G 基站射频 PA 有望量价齐升。目前基站用功率放大器主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体 LDMOS 技术,不过 LDMOS 技术仅适用于低频段,在高频应用领域存在局限性。对于 5G 基站 PA 的一些要求可能包括3~6GHz 和 24GHz~40GHz 的运行频率,RF 功率在 0.2W~30W 之间,5G 基站 GaN 射频 PA 将逐渐成为主导技术,而 GaN 价格高于LDMOS 和 GaAs。
GaN 具有优异的高功率密度和高频特性。提高功率放大器 RF 功率的最简单的方式就是增加电压,这让氮化镓晶体管技术极具吸引力。如果我们对比不同半导体工艺技术,就会发现功率通常会如何随着高工作电压 IC 技术而提高。
典型的 GaN 射频器件的加工工艺,主要包括如下环节:外延生长-器件隔离-欧姆接触(制作源极、漏极)-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。
GaN射频器件的加工工艺
2. GaN射频 PA 有望成为 5G基站主流技术
预测未来大部分 6GHz 以下宏网络单元应用都将采用 GaN 器件,小基站 GaAs 优势更明显。就电信市场而言,得益于 5G 网络应用的日益临近,将从 2019 年开始为 GaN 器件带来巨大的市场机遇。相比现有的硅 LDMOS(横向双扩散金属氧化物半导体技术)和 GaAs(砷化镓)解决方案,GaN 器件能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能。而且,GaN 的宽带性能也是实现多频带载波聚合等重要新技术的关键因素之一。GaN HEMT(高电子迁移率场效晶体管)已经成为未来宏基站功率放大器的候选技术。