GaN 在 5G 射頻應用將脫穎而出

作者 | 發布日期 2018 年 11 月 06 日 7:45 | 分類 晶片 , 網通設備 , 零組件 follow us in feedly

相較目前主流的矽晶圓(Si),第三代半導體材料 SiC 與 GaN(氮化鎵)具備耐高電壓特色,並有耐高溫與適合在高頻環境下優勢,其可使晶片面積大幅減少,並簡化周邊電路設計,達成減少模組、系統周邊零組件及冷卻系統體積目標,GaN 應用範圍包括射頻、半導體照明、雷射器等領域。



現行 GaN 功率元件以 GaN-on-SiC 及 GaN-on-Si 兩種晶圓進行製造,其中 GaN-on-SiC 強調適合應用在高溫、高頻的操作環境,因此在散熱性能具優勢,其以 5G 基地台應用最多,預期 SiC 基板未來在 5G 商用帶動下,具有龐大市場商機。

5G 高頻特性,使 GaN 技術有伸展空間

目前基地台用功率放大器(Power Amplifier,PA)主要為基於矽的橫向擴散金屬氧化物半導體(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS)技術,不過 LDMOS 技術僅適用於低頻段,在高頻應用領域存在侷限性。

由於 LDMOS 功率放大器的頻寬會隨著頻率增加而大幅減少,運用於 3.5GHz 頻段的 LDMOS 製程已接近限制,性能開始出現下滑,在考慮 5G 商用頻段朝更高頻段發展下,過去 LDMOS 將逐漸難以符合性能要求,因此第三代半導體材料 GaN 技術崛起;由於 GaN 技術支援更高資料容量之多資料傳輸,同時搭配 5G 高速網路,不論在頻寬、性能、容量、成本間可做出最佳成效。

換言之,GaN 優勢在於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於傳導頻率時輸出訊號功率的頻率),尤其在 5G 多輸入多輸出(Massive MIMO)應用中,可實現高整合性解決方案,例如模組化射頻前端元件,以毫米波(Millimeter Wave,mmWave)應用為例,GaN 高功率密度特性可有效減少收發通道數及尺寸,實現高性能目標,然而短期 LDMOS 會與 GaN 共存,主要原因在於低頻應用仍會採用 LDMOS,例如 2GHz 以下應用領域。

5G 基地台的功率放大器將以砷化鎵與 GaN 製程為主

從 Qorvo 產品應用來看,採用 GaN 技術將天線陣列功耗降低 40%,透過整合式多通道模組、3~6GHz 及 28/39GHz 頻段在射頻前端產品的布局,更加強調高性能、低功耗、高整合度、高易用性等目標達成。

▲ GaN 在毫米波 5G 基礎設施優勢。(Source:Qorvo,2018.11)

其中 GaN 可達 LDMOS 原始功率密度 4 倍,每單位面積功率提高 4~6 倍,即在相同發射功率規格下,GaN 裸片尺寸為 LDMOS 裸片尺寸的六分之一至四分之一。由於 GaN 具有更高功率密度特性,能實現更小元件封裝,滿足 Massive MIMO 和主動天線單元(Active Antenna Unit,AAU)技術下射頻前端高度整合需求。

目前 GaN 運用以 5G 基礎設施(如基地台)為主,手機較難採用 GaN 技術,主要挑戰包括:1. GaN 成本高;2. GaN 供電電壓高;較不符合手機需求,不過若未來透過改進 GaN 射頻元件特性,仍有可能應用於手機,例如加入新的絕緣介質與溝道材料,使其適應低電壓工作環境。無論如何,GaN 已成為高頻、大功耗應用技術首選,包括需高功率水準的傳輸訊號或長距離應用,例如基地台收發器、雷達、衛星通訊等。

(首圖來源:shutterstock)

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