超密集組網(wǎng)通過增加基站部署密度，可實現(xiàn)頻率復(fù)用效率的巨大提升，并且?guī)砜捎^的容量增長，未來隨著基站數(shù)量的增加，基站內(nèi)射頻器件的需求也將隨之大幅提升。高通預(yù)測，射頻前端的市場規(guī)模預(yù)估到2020年將達(dá)到180億美元。Small Cell Forum預(yù)測，全球小基站市場空間有望在2020年超過60億美元。
有業(yè)內(nèi)分析師就表示，3．5GHz以上所有宏基站部署將看到GaN逐步取代LDMOS，同時，GaAs也將從小型基站網(wǎng)絡(luò)的需求增長中受益。Qorvo亞太區(qū)FAE高級經(jīng)理楊嘉也表示：“小基站及Massive MIMO的飛速發(fā)展，會對集成度要求越來越高， GaN自有的先天優(yōu)勢會加速功率器件集成化的進(jìn)程。5G將會帶動GaN這一產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展?！?不過另有業(yè)內(nèi)人士對記者表示：“GaN射頻器件憑借非常好的頻率特性確實是5G的最好選擇，但系統(tǒng)中的其他器件沒有那么好的頻率特性與之匹配，GaN器件的優(yōu)勢目前來說還不能很好的發(fā)揮。”
因此有人擔(dān)心在基站應(yīng)用里用氮化鎵實在過于昂貴，氮化鎵的功率密度優(yōu)勢會因其成本過高而被抵消。對此，MACOM無線產(chǎn)品中心資深總監(jiān)成鋼表示：“氮化鎵（尤其是硅基氮化鎵）為降低5G系統(tǒng)射頻前端成本提供了一個明確的途徑。推動集成將進(jìn)一步降低半導(dǎo)體器件的成本，這將把成本挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)移到封裝和測試上。在毫米波應(yīng)用的情況下，封裝解決方案將提供支持而非帶來挑戰(zhàn)，5G陣列設(shè)計將成為射頻前端實現(xiàn)低成本制造的關(guān)鍵。封裝解決方案將帶來獨特的熱性能和電氣性能挑戰(zhàn)，必須一一應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，系統(tǒng)才能實現(xiàn)低成本。封裝解決方案還必須進(jìn)行高速、低成本的高頻自動化測試，以便進(jìn)一步降低成本。MACOM在高頻設(shè)計和封裝創(chuàng)新方面具有數(shù)十年經(jīng)驗，為我們當(dāng)前的解決方案打下了堅實的基礎(chǔ)。”楊嘉也表示：“隨著6寸晶元的普及及更先進(jìn)的封裝技術(shù)如QORVO LCOR可以有效地降低使用成本。隨著規(guī)模應(yīng)用，GaN的成本也會隨著下降?！?/p>
既然對GaN在5G基站中的應(yīng)用前景看好，那么隨著手機射頻前端復(fù)雜性的增加， GaN射頻器件應(yīng)用于5G手機提升性能和集成度是否可行？成鋼表示：“關(guān)于氮化鎵在移動設(shè)備中的作用，存在很多的討論和爭議。氮化鎵的技術(shù)優(yōu)勢來源于材料可承受較大的臨界電場。這是能夠在很高電壓下工作的原因。器件的阻抗與電壓的平方成比例。受電池技術(shù)限制，移動設(shè)備通常被認(rèn)為是低電壓設(shè)備，從而導(dǎo)致氮化鎵的性能優(yōu)勢不明顯。移動設(shè)備電源管理要求與射頻器件技術(shù)特性關(guān)系的整體分析將指出正確的解決方案。這與氮化鎵的高電壓和高功率能力大放異彩的基站和其他固定應(yīng)用大相徑庭。”
楊嘉進(jìn)一步指出：“以目前的技術(shù)， 手機不太可能用到GaN，主要挑戰(zhàn)有2個，一個是GaN的成本過高，另一個是GaN的供電電壓太高，不適合手機?！辈贿^，未來通過改進(jìn)GaN射頻器件仍然有可能應(yīng)用于手機。有業(yè)內(nèi)專家表示：“一種可能是改變氮化鎵的結(jié)構(gòu)。氮化鎵采用的是場效應(yīng)管（FET）結(jié)構(gòu)，而手機功放則是用異質(zhì)雙結(jié)型晶體管（HBT）結(jié)構(gòu)，HBT結(jié)構(gòu)的效率和線性度更好。氮化鎵射頻器件可以考慮垂直結(jié)構(gòu)，或者加入新的溝道材料和絕緣介質(zhì)，以使其適應(yīng)低電壓的工作環(huán)境。另外，氮化鎵工藝必須縮小工藝尺寸?，F(xiàn)在氮化鎵工藝尺寸正在從0．25微米至0．5微米向0．15微米轉(zhuǎn)換，一些領(lǐng)導(dǎo)廠商甚至在嘗試60納米。只有時間才能檢驗射頻氮化鎵工藝能否適合手機應(yīng)用，不過射頻氮化鎵工藝已經(jīng)在改變整個格局?！?/p>
因此從長遠(yuǎn)的角度看，GaN將取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料用于5G網(wǎng)絡(luò)，低電壓 GaN所提供的效能或?qū)⒉豢杀苊獾剡M(jìn)入手機設(shè)備。另外，GaN在高溫環(huán)境中運行的特性也非常適合被動制冷、汽車等應(yīng)用。成鋼表示：“GaN已成為射頻器件技術(shù)的重要經(jīng)濟(jì)力量，正在瓜分4G應(yīng)用中LDMOS市場的市場份額。MACOM相信，隨著小基站和5G解決方案向毫米波領(lǐng)域逐漸延伸，硅基氮化鎵器件技術(shù)的總體市場將顯著擴(kuò)大?！肮P者認(rèn)為，雖然氮化鎵最初是為支持政府軍事和太空項目而開發(fā)，IED干擾器、軍事通訊、雷達(dá)、電子對抗等應(yīng)用也將讓氮化鎵在國防應(yīng)用市場保持穩(wěn)定增長，但主流商業(yè)市場對這一新技術(shù)的完全接受將使GaN在無線基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用遠(yuǎn)超國防應(yīng)用。
總結(jié)來看，憑借更高頻率密度、更高截至頻率及耐高溫等特性，GaN不僅能夠滿足5G射頻前端的需求，也能夠很好的滿足5G小基站的需求。不過trapping效應(yīng)需要從應(yīng)用端解決、功耗問題需要從GaN自身去解決，更為關(guān)鍵的高成本問題則影響著GaN的普及應(yīng)用。至于在移動設(shè)備中的應(yīng)用，目前受制于成本和電壓的問題應(yīng)用還不現(xiàn)實，但隨著GaN技術(shù)的進(jìn)步，我們有理由相信在5G時代GaN將取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，得到更加廣泛的應(yīng)用。（包永剛）