氮化鎵的技術(shù)優(yōu)缺點及在無線基站中的應用分析

用于無線基礎(chǔ)設施的半導體技術(shù)正在經(jīng)歷一場重大的變革，特別是功率放大器(PA)市場。橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)晶體管在功率放大器領(lǐng)域幾十年來的主導地位正在被氮化鎵(GaN)撼動，這將對無線基站的系統(tǒng)性能和運營成本產(chǎn)生深遠的影響。

氮化鎵顯而易見的技術(shù)優(yōu)勢(包括能源效率提高、帶寬更寬、功率密度更大、體積更小)使之成為LDMOS的天然繼承者服務于下一代基站，尤其是1.8GHz以上的蜂窩頻段。盡管以前氮化鎵與LDMOS相比價格過高，但是MACOM公司的最新的第四代硅基氮化鎵技術(shù)(MACOM GaN)使得二者成本結(jié)構(gòu)趨于相當。

這里我們將詳細了解下LDMOS、碳化硅基(SiC)氮化鎵和MACOM氮化鎵技術(shù)的優(yōu)缺點，從產(chǎn)品性能、成本控制以及供應鏈生態(tài)系統(tǒng)方面權(quán)衡它們的利弊。作為一家在無線基礎(chǔ)設施應用領(lǐng)域有著幾十年的經(jīng)驗和專業(yè)知識的公司，MACOM在評估它們在商業(yè)基站應用領(lǐng)域的專業(yè)度方面無疑更有發(fā)言權(quán)。

誤區(qū)一：硅基氮化鎵功率晶體管比LDMOS的效率優(yōu)勢可忽略不計，與碳化硅基氮化鎵器件的效率優(yōu)勢無法比擬。

MACOM公司基于氮化鎵的MAGb功率晶體管在2.6GHz頻段可提供高于70%的峰值效率以及19dB的線性增益，若匹配以合適的諧波阻抗其峰值效率會超過80%。該功率效率性能可與最優(yōu)秀的碳化硅基氮化鎵器件的效率相匹敵，與傳統(tǒng)LDMOS器件相比有10%的效率提升。

若能被正確地應用，這個效率優(yōu)勢會幫助節(jié)省大量電費，并通過減小散熱裝置、供電模塊(PSU)以及射頻拉遠單元(RRH)的整體尺寸，節(jié)省資本支出(CAPEX)，這將對營運商節(jié)省運營支出(OPEX)產(chǎn)生深遠的影響。若平均電費為$0.1/KWh，僅將新的宏基站替換使用氮化鎵技術(shù)，一年節(jié)省的電費可超過1億美金。

LDMOS，MACOM GaN 和 GaN on SIC 三者的優(yōu)劣勢對比

誤區(qū)二：碳化硅基(SiC)氮化鎵的熱特性保證了功率放大器更好的可靠性。

MACOM公司的MAGb功率晶體管系列在真實的基站工作溫度200°C的環(huán)境下MTTF超過106小時，由此可見該器件在基站現(xiàn)場確實和碳化硅基氮化鎵器件一樣穩(wěn)健可靠，與傳統(tǒng)LDMOS器件的持久性相當。

MACOM借助先進的晶體管設計和封裝技術(shù)實現(xiàn)與碳化硅基氮化鎵器件相同的熱性能。通過優(yōu)化晶體管布線設計以及采用創(chuàng)新的散熱材料和裸片焊接方法，有效消除了Si相對SiC在襯底中15%到30%的導熱性差異。

誤區(qū)三：基于氮化鎵的器件引入了線性問題，很難用數(shù)字預失真技術(shù)來修正。

Doherty功率放大器結(jié)構(gòu)因為高回退效率而被廣泛采用，但由于其引入非線性失真，會導致信號放大的失真問題。這可以通過數(shù)字預失真(DPD)來修正，但實踐表明，碳化硅基氮化鎵器件實現(xiàn)DPD優(yōu)化相當困難。碳化硅中的電荷捕獲效應被認為是由于其硅結(jié)構(gòu)中的晶格缺陷所致，最終導致功率放大器的線性化困難。

相較而言，MACOM基于氮化鎵的MAGb功率晶體管比其他氮化鎵技術(shù)更易于線性化和使用DPD技術(shù)來進行修正，并沒有遇到其它碳化硅基氮化鎵器件遇到的缺陷，從技術(shù)角度比LDMOS和碳化硅基氮化鎵更適合基站應用。

上節(jié)中，我們對于LDMOS，GaN/SiC 以及MACOM的GaN三者之間的技術(shù)相對優(yōu)劣性進行了密切關(guān)注，評估了它們之間的優(yōu)缺點以及從它們的性能屬性到生態(tài)系統(tǒng)的供應鏈成本之間進行權(quán)衡比對。 現(xiàn)在我們繼續(xù)來剖析在上文無線基站中所介紹的這些技術(shù)。

作為一家在無線基礎(chǔ)設施應用領(lǐng)域有著幾十年的經(jīng)驗和專業(yè)知識的公司，MACOM在評估它們在商業(yè)基站應用領(lǐng)域的專業(yè)度方面無疑更有發(fā)言權(quán)。

誤區(qū)四：氮化鎵的功率密度優(yōu)勢因其成本過高而被抵消。

MACOM氮化鎵的功率密度是裸片尺寸相同的LDMOS的4到6倍。盡管MACOM氮化鎵的材料成本因氮化鎵外延淀積而略高于LDMOS，但MACOM的芯片加工流程相較LDMOS可以節(jié)省50%的制造步驟，從而單片晶圓的加工成本差異幾乎可以忽略不計。最后，在量產(chǎn)階段MACOM氮化鎵的單個裸片尺寸只是LDMOS的1/4到1/6，可以支持更低的成本結(jié)構(gòu)。

MACOM氮化鎵的高功率密度可實現(xiàn)更小的器件封裝。另外，設計人員可以在保持既有功率放大器尺寸的同時獲得更高的功率和/或更大的集成度，以適應大規(guī)模陣列MIMO收發(fā)天線架構(gòu)的需求。

MACOM的MAGb功率晶體管系列充分體現(xiàn)了這一功率密度優(yōu)勢。該系列的初始產(chǎn)品包括峰值功率高達400W的單端晶體管、雙端晶體管以及在對稱和不對稱架構(gòu)下峰值功率均可高達700W的單封裝Doherty器件。這些器件的物理尺寸與性能較低的LDMOS器件和性能相當?shù)奶蓟杌壠骷叽缦嗤?/p>

TO272S塑料封裝提供無耳式TO272封裝的解決方案，峰值功率最高可達300W，并且擁有更好的熱性能。

誤區(qū)五：在基站應用里用氮化鎵實在過于昂貴。

MACOM氮化鎵產(chǎn)品線所生產(chǎn)的氮化鎵的相關(guān)器件，其每瓦特功率的晶圓成本只有相應的LDMOS產(chǎn)品的一半，與基于碳化硅的氮化鎵晶圓相比，在能達到相同性能的情況下，其量產(chǎn)成本顯著降低。MACOM氮化鎵在成本控制方面具有明顯優(yōu)勢。

技術(shù)發(fā)展成熟后，硅基氮化鎵將受益于非常低的硅成本結(jié)構(gòu)，與目前碳化硅基氮化鎵比其晶圓成本只有百分之一，因為與硅工藝相比，碳化硅晶體材料的生長速度要慢200至300倍，還有相應的晶圓廠設備折舊以及能耗成本上的差別。碳化硅基氮化鎵的高昂的成本，極大限制了其在商業(yè)基站成為主流應用的前景。

相比之下，一個8英寸硅晶圓廠幾周的產(chǎn)能便可滿足MACOM氮化鎵用于整個射頻和微波行業(yè)一年的需求。MACOM公司在6英寸硅晶圓生產(chǎn)(2017年轉(zhuǎn)為8英寸硅晶圓)領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)先地位和與合作方的親密協(xié)作，進一步提高了生產(chǎn)能力并提供了產(chǎn)業(yè)必需的成本結(jié)構(gòu)，破除了氮化鎵技術(shù)在商業(yè)基站市場應用中所面臨的障礙。

誤區(qū)六：氮化鎵滿足不了基站行業(yè)的供應鏈需求。

生產(chǎn)碳化硅的高附加成本決定了只能由少量產(chǎn)品混合度高但產(chǎn)量低的晶圓廠提供，導致其缺少服務商業(yè)規(guī)模應用的能力，尤其是滿足不了需求高峰時的要求。而且碳化硅是一種相對新興的材料，在商業(yè)規(guī)模化應用時間也比較短，但硅材料卻已經(jīng)擁有六十多年產(chǎn)業(yè)化和發(fā)展歷史。因此，硅基氮化鎵供應鏈效率自然更高。硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展已為硅基氮化鎵在量產(chǎn)規(guī)模、庫存維護、滿足需求波動等方面打下了堅實的基礎(chǔ)。

綜合考慮所有這些因素，MACOM氮化鎵在產(chǎn)品性能、成本有效性和商業(yè)供應鏈規(guī)?；g取得了最佳平衡，是下一代宏基站技術(shù)平臺的最佳選擇。