5G 功率放大器 LDMOS 和 GaN 之争

来源：semiengineering.com

作者：MARK LAPEDUS

原文链接：https://semiengineering.com/power-amp-wars-begin-for-5g/

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大家好，这里是【射频学堂】。

今天我们分享一篇国外的关于5G射频功放的文章——《Power  Amp Wars Begin For 5G》，文章主要分享了在5G功放设计中应用到的不同的材料和方法，着重分析了LDMOS和GaN的区别和优劣。希望给大家有所启发。

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正文如下：

5G基站对功放芯片和其他射频器件的需求不断增加，为不同公司和技术之间的对决奠定了基础。

功放器件是增强基站射频功率信号的关键部件。它基于两种竞争技术，即硅基 LDMOS 或射频氮化镓 (GaN)。GaN是一种 III-V 族技术，其性能优于 LDMOS，使其非常适合 5G 的高频要求。但 GaN 价格昂贵，在晶圆厂中存在一些挑战。LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）有一些局限性，但它不会消失。

尽管如此，5G是一个快速发展但复杂的市场。在供应链的其中一个环节，设备制造商在晶圆厂制造射频芯片，如功率放大器。从那里将设备运送到基站供应商进行集成。所谓的宏基站是位于蜂窝塔上的系统，它提供大范围的射频无线覆盖。

一般上一代3G基站的功放器件都是基于LDMOS的。LDMOS是一种成熟且价格低廉的技术，在4G基站市场上率先领先。随着时间的推移，GaN 功率放大器以牺牲 LDMOS 为代价，在 4G 中取得了重大进展。功率放大器是小型电路，可在基站和其他系统中将低功率射频信号转换为高功率信号。功率放大器不是基站中的唯一设备。这些其他设备基于各种流程。

尽管如此，基于 GaN 的功率放大器在 5G 中也越来越受欢迎。与 4G 一样，中国的基站供应商正在采用基于 GaN 的功率放大器设备进行其在中国的 5G 系统的初始部署。其他基站供应商也纷纷效仿。

这有几个原因。5G 是一种比今天的 4G 更快的下一代无线技术，正在两个不同的领域部署——低于 6GHz 和毫米波（28GHz 及以上）。通常，在较高频率下，LDMOS 会失去动力，从而需要 GaN。与 LDMOS 相比，GaN 具有更高的功率密度并在更宽的频率范围内工作。

“5G 基础设施中对密集、小规模天线阵列的需求导致射频系统中的功率和热管理面临关键挑战。凭借其改进的宽带性能、效率和功率密度，GaN 器件为更紧凑的解决方案提供了潜力，可以应对这些挑战，” Lam Research战略营销董事总经理 David Haynes 说。

不过，LDMOS 不会消失。一些移动运营商正在为 5G 部署低频段和高频段。LDMOS 适用于较低频段。因此，GaN 和 LDMOS 都将在 5G 中找到一席之地。Yole Développement 分析师 Ezgi Dogmus 表示：“在宏站中，随着 GaN 在华为 4G LTE 基础设施设备中的广泛采用，GaN 逐渐从 LDMOS 手中夺走市场份额。” “在 5G 的 6GHz 以下区域，我们看到 LDMOS 和 GaN 在低功率有源天线系统中的激烈竞争。GaN 正被用于需要大带宽容量的频段。”

无论如何，数字是惊人的。据 Yole 称，到 2025 年，GaN RF 市场总额将从 7.4 亿美元增加到超过 20 亿美元，复合年增长率为 12%。电信基础设施和军用雷达是 RF GaN 的主要驱动力。在另一个例子中，据 IBS 首席执行官汉德尔·琼斯 (Handel Jones) 称，中国在 2019 年建造了 13 万个 5G 基站，并计划在 2020 年再安装 50 万个。琼斯说，到 2024 年，中国的目标是部署 600 万个系统。日本、韩国、美国和其他国家也在大力推进 5G。

数字并不能说明整个故事。在 RF GaN 中，还有其他动态，包括：

• GaN 晶体管技术的特点是栅极长度为 1μm 及以上，尽管有些正在开发 90nm 及以下的工艺。

• RF GaN 供应商正在从 100mm 晶圆尺寸转向 150mm 晶圆尺寸以降低成本。

• 大多数 RF GaN 器件使用碳化硅 (SiC) 衬底。几家供应商正在研究用于 RF GaN 的具有竞争力的硅衬底。

• 美国和中国卷入贸易战。许多美国芯片供应商被禁止向华为销售产品。目前还不清楚这一切将如何发展。

不断发展的基站
今天的无线网络围绕 4G LTE 标准展开，该标准在 450MHz 到 3.7GHz 的频段范围内运行。4G速度快但复杂。它由 40 多个频段以及 2G 和 3G 频段组成。

4G LTE 网络由三部分组成——核心网、无线接入网 (RAN) 和智能手机等终端用户设备。由移动运营商运营，核心网处理网络中的整体功能。

RAN 由巨型蜂窝塔组成，这是基站所在的位置。RAN 基本上是一个中继系统，在给定区域内有多个基站。

基站本身由两个独立的系统组成，即建筑基带单元 (BBU) 和远程无线电头端 (RRH)。位于地面的 BBU 处理 RF 处理功能。它作为基站和核心网之间的接口。

RRH 位于信号塔顶部，由三个左右的大矩形盒子组成。天线单元位于塔顶。RRH 处理射频信号的转换，而天线发送和接收信号。

RRH盒内部有一组芯片，由发送链和接收链组成。简单来说，就是在单元中接收数字信号。根据技术网站“everything RF”的说法，它被转换为模拟信号，上变频为射频频率，放大、滤波，然后通过天线发送出去。

“一个相对高端的 LTE 基站可能有四个发射器。研究公司 Mobile Experts 的分析师丹·麦克纳马拉 (Dan McNamara) 表示，在每个塔上，都会有四个功率放大器发送信号以捕获数据并将其发送给客户。“在每个塔上，都有三个。把它想象成一个馅饼。每个人都根据信号从塔辐射的方式来处理某个圆圈。所以，实际上有 12 个（发射机）。”

同时，运营商现在正在部署5G。与 4G 相比，5G 承诺提供移动网络速度，延迟降低 10 倍，吞吐量提高 10 倍，频谱效率提高 3 倍。“移动通信系统正在从 4G 迁移到 5G，” ASE的研究员谢胜奇在最近在 ECTC 的一篇论文中解释道。“新的无线电 (NR) 频段分布在两个定义的频率范围 (FR) 中，即 FR1：450MHz 至 6GHz 和 FR2：24.25GHz 至 52.6GHz。提升性能的三个维度分别是海量物联网、低延迟和增强型移动宽带（eMBB），分别用于海量连接、超高可靠和低延迟以及容量增强的使用。”

每个国家都有不同的 5G 战略。对于 5G，中国使用 3.5GHz 作为频率。然后，5G 基站类似于 4G 系统，但它的规模要大得多。对于 5G 中的 sub-6GHz，假设您有一个宏基站。天线的功率级别范围为 40 瓦、80 瓦或 100 瓦。

在 RRH 板上，您有各种设备，例如功率放大器、低噪声放大器 (LNA)、收发器等。RF 过程很复杂，有几个步骤。“认为收发器是事物的基带数字方面。从这个收发器出来，（一个信号）进入射频。通常，您有某种类型的接收路径。对我们来说，这是基于 GaAs 的。它也可以是硅基的。Qorvo 5G 基础设施客户总监 James Nelson 解释说，它基本上是 LNA 并且有一个开关。“在这种情况下，我们在接收端制造的很多模块都是双通道的。这就是为什么您可以在顶部和底部有效地看到两个功率放大器部分或传输部分的原因。它们将是相同的，因为这是一个双通道。GaN 在这些放大器模块中发挥作用。

5G 在其他方面有所不同。与 4G 中的 12 个传输链不同，5G 中有 32 或 64 个传输链。“5G 中的等效系统将在每个无线电中拥有 32 或 64 个功率放大器乘以 3。需要大量的材料，”移动专家的 McNamara 说。

下一步是将部分或全部 RRH 集成到天线中。这些集成基站使用大规模 MIMO 天线系统。结合微型天线，大规模 MIMO 通过波束成形技术与用户进行通信。

与此同时，在美国，5G 是碎片化的。一些电信公司正在部署使用 28GHz 毫米波频率的更快版本的 5G。今天，毫米波仅限于固定无线服务。这是一个充满各种挑战的利基市场。当运营商开始在 3.7GHz 部署 C 频段技术时，美国将大规模部署 5G。C波段的时间尚不清楚。

GaN 与 LDMOS
一般而言，5G 基站将采用基于 GaN 的功率放大器以实现更高频率。LDMOS 也适用于较低频段。

多年来，基站都采用了基于 LDMOS 晶体管技术的功率放大器芯片。LDMOS 晶体管是一种类似于 MOSFET 的横向器件。它具有源极、栅极和漏极。

LDMOS 与 MOSFET 略有不同。LDMOS 技术供应商 Ampleon 表示：“源极通过 P+ 下沉器连接到晶圆背面，这使得芯片背面成为晶体管的源极连接。” NXP 和其他公司也销售 LDMOS 产品。

基于硅，LDMOS 在 200 毫米晶圆厂中加工至 0.14 微米几何尺寸。LDMOS晶体管用于为基站开发标准的Doherty功率放大器芯片。Doherty 功率放大器架构有两个放大器部分，可实现系统的高效率。

LDMOS 继续进行改进，但可以说它在 2GHz 以上的频率上遇到了瓶颈。“从历史上看，GSM 是 900MHz，然后是 1.8GHz 和 2.1GHz。Cree 的Wolfspeed部门副总裁兼 RF 产品总经理 Gerhard Wolf 说：“这些是LDMOS 占主导地位的传统频段。” “然后，您还拥有 2.69GHz 频段 7 和 41，并且频率更高。这就是 GaN 发挥作用的时候。与 LDMOS 相比，GaN 在更高频率下的效率更高。GaN 在 3.5GHz 级别的效率更好。”

GaN 是一种宽带隙技术，它指的是电子脱离其轨道所需的能量。GaN 的带隙为 3.4 eV，而硅的带隙为 1.1 eV。

与其他技术相比，GaN 器件能够以更好的特性处理更多功率。GaN 还可以实现更高的瞬时带宽。这意味着系统中需要的放大器更少。

但 RF GaN 比 LDMOS 贵。线性度也是 RF GaN 的一个问题。这涉及功率放大器在不失真的情况下放大信号的能力。

尽管如此，GaN 仍用于制造高电子迁移率晶体管 (HEMT)。GaN 是材料，而 HEMT 是器件结构。GaN HEMT 是具有源极、栅极和漏极的横向器件。电流从源极流向漏极并由栅极控制。

与 LDMOS 一样，RF GaN 用于开发功率放大器芯片。例如，在最近的一篇论文中，住友描述了基于 GaN 的宽带 Doherty 放大器的开发。两级放大器由一个用于载体部分的 GaN 晶体管和两个用于峰值部分的晶体管组成。每个晶体管都有一对 180 瓦的 GaN 芯片。

GaN 并不新鲜。它可以追溯到 1970 年代，当时 RCA 设计了基于 GaN 的 LED。二十年前，美国资助了用于军事/航空航天应用的 GaN 的开发。GaN 还用于 CATV 放大器、LED 和功率半导体。

RF GaN 市场于 2014 年起飞，当时华为在其 4G 基站中采用了基于 GaN 的功率放大器。当时，LDMOS 主导了整个领域，但很快就发生了变化。“对于多年来最初的 4G 部署和部署，LDMOS 技术是主要技术，确实占据了市场主导地位，”恩智浦射频产品发布和全球分销经理 Gavin Smith 说。“快进几年。随着 4G 开始下降，GaN 技术开始针对下一代蜂窝基础设施进行测试和尝试。我们看到了技术需求和需求的这种转变，并开始改变装备，为 LDMOS 和 GaN 解决方案的 5G 部署做好准备。”

与此同时，华为等公司一直在中国安装5G基站。与 4G 一样，中国的原始设备制造商正在采用基于 GaN 的功率放大器。其他基站 OEM 也纷纷效仿。

“LDMOS 在 5G FR1 的高频段耗尽了动力。氮化镓上的碳化硅现在的选择，”百里林的CTO说Wavetek公司，III-V族代工厂，是部分UMC。“由于其宽带隙、高迁移率和良好的导热性，RF GaN 器件具有宽带应用的优势，这是 5G 通信的关键之一。GaN-on-SiC RF 适用于 48V Doherty 放大器，以实现 5G 基站中大功率放大器的高效率、高耐用性。”

LDMOS 不会消失。中国一些运营商正在部署低频5G频段。LDMOS 可能在这里发挥作用。

然后，如果或当行业迁移到成熟的毫米波 5G 网络时，运营商也可能会部署一系列小型基站。有几种适用于小基站的技术。“硅基 GaN RF 已被证明是 28V 或 48V 小型电池功率放大器的非常合适的候选，”Lin 说。“GaN 器件可以为未来 5G FR2 应用中毫米波频段的 MMIC TRX 和功率放大器提供非常宽的频段、高效率和低噪声性能。”

制造 GaN
第一波 5G 基站已经部署。现在，设备制造商正在开发新的基于 GaN 的功率放大器芯片，希望抓住下一波 5G 基站部署浪潮。Cree、富士通、三菱、恩智浦、Qorvo、住友等公司在 RF GaN 器件市场上展开竞争。Yole 分析师 Ahmed Ben Slimane 表示：“此外，在中美贸易战之后，许多中国公司正试图在内部开发用于 5G 基础设施的 GaN RF，而一些美国公司则失去了市场份额。”

在最近的 IMS2020 会议上，各个实体发表了关于 RF GaN 下一步发展的论文。他们之中：

• Fraunhofer 展示了工作频率超过 200GHz 的 G 波段 GaN 功率放大器。

• 恩智浦描述了一款效率为 65% 的 300W GaN 功率放大器。

• Qorvo 披露了其最新的 90nm GaN 工艺。GaN 晶体管的峰值 PAE 为 51%。

• HRL 开发了 PAE 为 75% 的渐变沟道 GaN HEMT。

RF GaN 不断改进，但相对昂贵。提高效率是另一个挑战。有时，GaN 会受到所谓的动态导通电阻的影响。

作为回应，RF GaN 供应商正在通过迁移到更大的晶圆尺寸、改进晶圆厂的工艺流程等步骤来降低成本。

如前所述，GaN HEMT 是具有源极、栅极和漏极的横向器件。据 Qorvo 称，栅极长度决定了器件的速度。较小的门转化为更快的器件。“电压与栅极长度成比例。当您采用更小的栅极几何结构时，您将无法摆动那么多的电压，这会限制您的功率能力，”Qorvo 的 Nelson 说。

在 RF GaN 中，最先进的栅极长度是 90nm。供应商主要运送栅极长度为 0.15μm 至 0.5μm 的 RF GaN 芯片。

每种技术都有它的位置。“0.15µm 是最先进的工艺之一。我们还有更高频率的流程，”纳尔逊说。“您不会将 0.15µm GaN 工艺用于 3.5GHz 基站。对于功率水平和频率，您不需要那种几何形状。我们有一个 0.5µm 的工艺，可以承受 65 伏电压。雷达的人喜欢它。不是每个人都转向 65 伏。然后，我们有另一个针对 48 伏电压的过程，这在基站中很常见。然后，您就有了 0.15µm 版本，它可以在 28 到 20 伏之间。”

尽管如此，在晶圆厂中，RF GaN 工艺始于衬底的开发。RF GAN的主要衬底是碳化硅（GaN-on-SiC）。用于 RF GaN 的 SiC 衬底基于 100mm 晶圆，其中 150mm 正在制作中。

GaN-on-SiC 有其优点和缺点。它具有高导热性，但 SiC 衬底在生产阶段容易出现缺陷。基板很贵。

其他人正在研究可以在 200 毫米晶圆厂生产的硅衬底或 GaN-on-silicon。200mm 每片晶圆可支持更多芯片，从而降低 制造成本。

“我会保守地说，95% 的市场是碳化硅上的 GaN，”Cree/Wolfspeed 的首席技术官 John Palmour 说。“硅基氮化镓背后的想法是衬底便宜，但硅的热导率是碳化硅的三分之一。摆脱热量要困难得多。为了弥补这一点，您必须在硅基 GaN 中制造更大的器件。你并没有真正赢得成本。”

最终，每种技术都会有自己的位置。“GaN-on-SiC 将专注于最高功率和性能的应用，而 GaN-on-silicon 将解决更多成本敏感的应用，”Lam 的 Haynes 说。“这是因为 GaN-on-silicon 提供了 CMOS 兼容性的承诺，能够利用更大的晶圆尺寸和更先进的晶圆制造技术，以及将 GaN 技术与多芯片模块中的其他解决方案集成。”

无论衬底类型如何，下一步都是使用金属有机化学气相沉积 ( MOCVD ) 系统在衬底上生长外延层。

首先，在衬底上生长缓冲层，然后是沟道层，然后是阻挡层。将电子从源极传输到漏极的通道基于 GaN。

据 Qorvo 称，缓冲层是基于掺杂碳或铁的 GaN 材料，可防止电子进入基板。基于氮化铝镓 (AlGaN)，势垒将栅极和沟道隔离开来。

Veeco产品营销高级经理 Ronald Arif 表示：“顶层通常是薄的 AlGaN 层，在下面覆盖几微米厚的 GaN 层，以形成高速导电通道所需的 2D 电子气。” “通过 MOCVD 生长 GaN-on-SiC 是一个成熟的工艺。出于成本和集成的原因，业界更喜欢在硅衬底上生长 GaN 材料。但这在材料质量、均匀性和缺陷方面提出了重大挑战。”

尽管如此，下一步是在器件顶部形成源极和漏极。然后，在结构上沉积一层氮化硅。

下一步是形成浇口。在设备上，蚀刻系统蚀刻出一个小开口。金属沉积在开口中，形成栅极。

栅极蚀刻工艺有效。但有时，该工艺会损坏 GaN 表面的底部和侧壁。

因此，供应商正在探索将原子层蚀刻(ALE) 用于 GaN。ALE 在原子尺度上去除材料，但这是一个缓慢的过程。因此，ALE 可能会与传统的 GaN 蚀刻工艺结合使用。

“它可能需要一套蚀刻工艺来解决 GaN HEMT 和 MIMIC 制造的独特挑战，”Lam 的 Haynes 说。“这些包括使用 ALE 来实现原子级精确、超低损伤和高选择性蚀刻 GaN/AlGaN 结构。使用这种方法，我们已经证明，与传统的稳态蚀刻工艺相比，蚀刻后的 GaN 薄层电阻降低了 2 倍，表面粗糙度相当于沉积的外延膜。这种改进对改进设备性能和可靠性有直接影响。”

最后，基板被减薄，底部被金属化。据 Qorvo 称，过孔形成在基板的顶部和底部之间，这会降低电感。

结论
多年来，供应商一直在谈论在智能手机中使用 GaN 作为功率放大器。今天的手机功率放大器使用砷化镓 (GaAs) 工艺。

GaN 对于智能手机来说太贵了。另一方面，GaN 在其他几个市场中越来越受欢迎，使其成为众多值得关注的技术之一。