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5G电源大战开始了

公司正在使用不同的材料和不同地区的方法。

受欢迎程度

5G基站对功放芯片和其他射频设备的需求正在增加,为不同公司和技术之间的摊牌创造了条件。

功率放大器器件是提高基站射频功率信号的关键部件。它基于两种具有竞争力的技术,硅基LDMOS或射频氮化镓(GaN)。氮化镓,一种III-V技术,优于LDMOS,使其成为5G高频需求的理想选择。但GaN价格昂贵,在晶圆厂存在一些挑战。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,5克这是一个快速而复杂的市场。仅在供应链的一个环节,设备制造商就在晶圆厂生产功率放大器之类的射频芯片。从那里,设备被运送到基站供应商进行集成。所谓的宏基站是一种位于手机信号塔上的系统,它提供广泛的射频无线覆盖。

一般来说,上一代3G基站的功率放大器器件都是基于LDMOS。LDMOS技术是一种成熟且廉价的技术,在4G基站市场上处于较早的领先地位。随着时间的推移,GaN功率放大器以LDMOS为代价,在4G领域取得了重大进展。功率放大器是一种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的小型电路。功率放大器并不是基站中唯一的设备。这些其他设备基于不同的流程。

尽管如此,基于GaN的功率放大器也在5G中获得蒸汽。与4G一样,中国的基站供应商正在采用基于GAN的Power AMP设备,以便在中国的5G系统初始部署。其他基站供应商遵循诉讼。

有几个原因。5G,一个比今天4G更快的下一代无线技术正在两个不同的区域 - Sub-6GHz和MMWave(28GHz及以上)部署。通常,在更高的频率下,LDMOS耗尽蒸汽,提示需要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运行。

“5G基础设施中对密集的小型天线阵列的需求导致RF系统中的电源和热管理的关键挑战。凭借其提高的宽带性能,效率和功率密度,GAN设备提供了可以解决这些挑战的更紧凑的解决方案,“战略营销总经理David Haynes说林研究所

不过,LDMOS不会消失。一些移动运营商正在为5G同时部署低频和高频频段。LDMOS适用于低频段。所以GaN和LDMOS都将在5G中找到一席之地。Yole Développement分析师Ezgi Dogmus表示:“在宏观上,GaN在华为4G LTE基础设施设备上广泛采用后,逐渐从LDMOS手中夺取市场份额。”“在5G 6ghz以下的领域,我们看到低功率有源天线系统中LDMOS和GaN之间的激烈竞争。GaN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20亿美元以上,复合年增长率为12%。电信基础设施和军用雷达是射频GaN的主要驱动因素。另一个例子是,IBS首席执行官汉德尔·琼斯(Handel Jones)表示,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600万套系统。日本、韩国、美国和其他国家也在大力推进5G技术。

这些数字没有讲述整个故事。在RF GaN中,还有其他动态,包括:

  • GaN晶体管技术在1μm且以上具有栅极长度,但有些是开发90nm和以下过程。
  • RF GaN供应商正从100mm晶圆尺寸转向150mm,以降低成本。
  • 大多数RF GaN器件使用碳化硅(SiC)衬底。一些供应商正在为射频氮化镓开发具有竞争力的硅基板。
  • 美国和中国卷入了一场贸易战。许多美国芯片厂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。

演进基站
今天的无线网络围绕着4G LTE标准运行,其频率范围从450MHz到3.7GHz。4G网络速度很快,但很复杂。它包括超过40个频段,加上2G和3G频段。

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

RAN由巨大的基站塔组成,这是基站所在的位置。RAN基本上是一个中继系统,在一个给定的区域内有多个基站。

基站本身由两个独立的系统组成,建筑基带单元(BBU)和远程无线电头(RRH)。BBU位于地面,负责处理射频处理功能。它是基站与核心网之间的接口。

RRH位于细胞塔的顶部,由三个左右大的矩形盒子组成。天线单元位于塔顶。RRH处理射频信号的转换,而天线发射和接收信号。

在RRH盒子里面,有一组芯片,由发射和接收链组成。简单地说,在单元中接收数字信号。根据技术网站“everything RF”的说法,它被转换成模拟信号,上转换成射频信号,放大,过滤,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机。在每个发射塔上,将有四个功率放大器发送信号,捕捉并向客户发送数据,”研究公司Mobile Experts的分析师丹·麦克纳马拉(Dan McNamara)说。“每个塔上都有三个。把它想象成一个派。根据信号从塔中辐射出来的方式,每一个都处理一个特定的圆圈。所以实际上有12个(发射器)。”

与此同时,运营商正在部署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过渡到5G,”清华大学(tsinghua university)研究员谢圣奇(Sheng-Chi Hsieh)解释说日月光半导体在ECTC最近的一篇论文中。“新的无线电频段分布在两个定义的频率范围(FR),即FR1: 450MHz至6GHz和FR2: 24.25GHz至52.6GHz。有三个方面可以改善性能,分别是大规模物联网、低延迟和增强的移动宽带(eMBB),用于使用大规模连接、超高可靠和低延迟,以及容量增强。”

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,一个5G基站类似于4G系统,但它是更大的尺度。对于5G的Sub-6GHz,假设您有一个宏基站。天线处的功率水平范围为40瓦,80瓦或100瓦。

在RRH板上,你有各种各样的设备,如功率放大器,低噪声放大器(LNAs),收发器和其他。射频过程是复杂的,有几个步骤。“把收发信机想成是东西的基带数字部分。从这个收发机出来,(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gaas基的。它也可以是基于硅的。这基本上就是LNAs,然后有了一个转换,”Qorvo的5G基础设施客户总监詹姆斯·纳尔逊解释道。“在这种情况下,我们在接收端的很多模块都是双通道的。这就是为什么你会看到两个功率放大器部分或传输部分在顶部和底部。 They would be identical because this is a dual channel. Where GaN plays is in these amplifier blocks. The amplification can be done a lot of different ways.”


图1:宏基站和天线的演变。来源:美洲5克

5G在其他方面也有所不同。与4G的12条传输链不同,5G有32或64条传输链。“5G的等效系统将在每个无线电中有32或64个功率放大器乘以3。这需要大量的材料,”移动专家的麦克纳马拉说。

下一步是将部分或全部RRH集成到天线中。这些综合基站利用了大规模MIMO天线系统。采用微型天线,大规模MIMO通过波束形成技术与用户进行通信。

与此同时,在美国,5G是分散的。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,mmWave仅限于固定无线服务。这是一个面临各种挑战的利基市场。当运营商开始部署3.7GHz的c波段技术时,美国将迎来大规模的5G部署。c波段的时间还不清楚。

氮化镓vs LDMOS
一般来说,5G基站将在更高的频率中加入基于gan的功率放大器。LDMOS也在低频段的混合中。

多年来,基站采用了基于LDMOS晶体管技术的功率放大器芯片。LDMOS晶体管是一种类似MOSFET的横向器件。它有源,门和漏。

LDMOS与mosfet略有不同。根据LDMOS技术供应商Ampleon的说法,“源与晶圆背面的P+下沉连接,这使得芯片背面成为晶体管的源连接。”NXP和其他公司也销售LDMOS产品。

以硅为基础,在200mm晶圆厂内加工LDMOS,其几何尺寸可降至0.14μm。采用LDMOS晶体管开发基地台标准Doherty功率放大器芯片。Doherty功率放大器架构有两个放大器部分,使系统具有高效率。

LDMOS继续改进,但在超过2GHz的频率上,它可能会遇到瓶颈。“过去,GSM是900MHz,然后是1.8GHz和2.1GHz。这些是以LDMOS为主的传统频段,”Cree 's RF产品副总裁兼总经理Gerhard Wolf说Wolfspeed单位。然后,你还有2.69GHz频段7和41,甚至更高。这就是甘俊来打球的时候。与LDMOS相比,GaN在更高频率下的效率更高。3.5GHz的氮化镓效率更高。

氮化镓是一种宽带隙技术,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。

GaN设备处理更多的功率,具有比其他技术更好的特性。GaN还可以实现更高的瞬时带宽。这意味着系统中需要更少的放大器。

但是RF GaN比LDMOS更贵。RF GaN的线性度也是一个问题。这涉及到功率放大器放大信号而不失真的能力。

尽管如此,GaN用于制造高电子迁移率晶体管(HEMT)。GaN是材料,而HEMT是设备结构。GaN HEMT是具有源极,栅极和漏极的侧向装置。电流从源流到漏极,并由门控制。

像LDMOS一样,RF GaN用于开发电源放大器芯片。例如,在最近的一篇论文中,Sumitomo描述了一种基于GaN的宽带Doherty放大器的开发。两级放大器由一个GaN晶体管组成,用于载体部分和用于峰值部分的两个晶体管。每个晶体管具有一对180瓦GaN模具。

甘并不新鲜。这可以追溯到20世纪70年代,当时RCA设计了一种基于gan的led。20年前,美国资助了用于军事/航空航天应用的氮化镓的开发。GaN也用于有线电视放大器,led和功率半导体。

射频GAN市场于2014年起飞,当时华为在其4G基站中加入了GaN的电力放大器。当时,LDMOS占据了景观,但很快就改变了。“对于初始的4G推出和部署多年来,LDMOS技术是主要技术,确实占据了市场,”恩智浦的RF产品发布和全球分销经理“几年来前进。GaN技术开始进行测试,并试图为下一代蜂窝基础设施开始,因为4G开始倾斜。我们在技术需要和需求方面看到了这一转变,并开始将齿轮换档为LDMOS和GaN解决方案的5G部署。“

与此同时,华为等公司已经在中国安装了5G基站。与4G一样,中国的oem也在接受基于gan的功率放大器。其他基站制造商也纷纷效仿。

“LDMOS在5G FR1的高频带中耗尽蒸汽。Gan-On-SiC现在是选择,“Barry Lin说,CTOWavetek,是一部分的III-V铸造厂联华电子。“RF GaN器件由于其宽带宽、高迁移率和良好的导热性,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,以实现高效、高强度的5G基站大功率放大器。”

LDMOS不会消失。中国的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,如果行业迁移到全吹动MMWAVE 5G网络,则运营商也可以部署一系列小型电池基站。小型电池游戏有几种技术。“甘砂型射频已经证明是28V或48V小电池功率放大器的非常合适的候选者,”林说。“GaN设备可以为5G FR2应用中的MMWAVE带中的未来MMIC TRX和功率放大器提供非常宽的带,高效率和低噪声性能。”

制作甘
已经部署了第一波的5G基站。现在,设备制造商正在开发新的GAN的功率放大器芯片,希望捕获下一波5G基站部署。Cree,Fujitsu,Mitsubishi,NXP,Qorvo,Sumitomo等其他人在RF GaN设备市场上竞争。“此外,在美国 - 中国贸易战之后,众多中国公司正在努力在亚利亚·莱奥分析师艾哈迈德Ben Slimane开发了5G基础设施的内部GaN RF。”

在最近的IMS2020会议上,各种实体发表了关于RF GaN的下一步发展的论文。其中包括:

  • 夫琅和费演示了一个工作频率超过200GHz的G-Band GaN功率放大器。
  • 恩智浦描述了300W GaN电源放大器,效率为65%。
  • Qorvo披露了最新的90nm GaN过程。GaN晶体管的峰值PAE为51%。
  • HRL开发了分级通道GaN Hemts,PAE为75%。

射频氮化镓继续改进,但它相对昂贵。提高效率是另一个挑战。有时,GaN会遇到所谓的动态导通电阻。

作为回应,RF GaN供应商正在通过迁移到更大的晶圆尺寸、改善晶圆厂的工艺流程等措施来降低成本。

如上所述,GaN HEMT是具有源极,栅极和漏极的横向装置。根据Qorvo,栅极长度确定设备的速度。较小的栅极转换为更快的设备。“电压尺度具有栅极长度。当你走到较小的闸门几何形状时,你不能像电压一样摆动,然后限制你的功率能力,“Qorvo的尼尔森说。

在RF GaN中,最先进的栅长是90nm。供应商主要运输的RF GaN芯片的门长度为0.15µm到0.5µm。

每种技术都有它的一席之地。0.15µm是一种最先进的过程。我们也有更高频率的过程,”尼尔森说。“你不会在3.5GHz基站上使用0.15 μ m GaN进程。功率等级和频率不需要那样的几何形状。我们有一个0.5µm的过程,这将是65伏的能力。雷达专家喜欢这样。不是所有人都调到65伏。然后,我们有另一个过程,目标电压为48伏,这对基站来说很常见。然后,你有0.15µm版本,可以在28到20伏之间。”

尽管如此,在FAB中,RF GaN工艺从基材的开发开始。RF GaN的主要基材是SiC(GaN-on-SiC)。RF GaN的SiC基板基于100mm晶片,工作中的150mm。

GaN-on-SiC有其优缺点。GaN-on-SiC导热系数高,但在生产阶段SiC衬底容易出现缺陷。衬底是昂贵的。

其他人正在使用硅基板或GaN-On-on-on-硅,其可以在200mm Fabs中生产。200mm使每个晶圆的模具更多,降低了制造成本。

Cree/Wolfspeed首席技术官John Palmour表示:“我保守地说,95%的市场是基于碳化硅的GaN。“GaN-on-silicon背后的想法是,衬底很便宜,但是硅的导热系数只有碳化硅的三分之一。要把热量弄掉就难多了。为了弥补这一点,你必须在硅上制造更大的gan器件。你并不能在成本上取胜。”

最终,每种技术都会有自己的一席之地。Lam的Haynes说:“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。”“这是因为GaN-on-silicon提供了兼容CMOS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,下一步是使用金属有机化学气相沉积(MOCVD.) 系统。

首先,在衬底上生长缓冲层,然后是沟道层和阻挡层。将电子从源极传输到漏极的通道是基于氮化镓的。

根据Qorvo的说法,防止电子进入基板的缓冲层基于掺杂有碳或铁的GaN材料。基于铝镓 - 氮化铝(AlGaN),阻挡层隔离栅极和通道。

“顶层通常是薄的AlGaN层,覆盖下面的几微米厚的GaN层,以形成高速电导通通道所需的2D电子气体,”产品营销高级经理Ronald Arif说:Veeco。“通过MOCVD生长GaN-on-SiC是一个成熟的过程。由于成本和集成的原因,该行业倾向于在硅衬底上生长GaN材料。但这在材料质量、均匀性和缺陷方面提出了一个重大挑战。”

尽管如此,下一步是在器件顶部形成一个源极和漏极。然后,在结构上沉积一层氮化硅。

形成门是下一步。在设备上,蚀刻系统蚀刻出小开口。金属沉积在开口中,形成门。

门蚀刻工艺工作。但是,有时,该过程可能导致GaN表面的底部和侧壁造成损坏。

因此,供应商正在探索使用原子层腐蚀甘(ALE)。ALE在原子尺度上去除材料,但这是一个缓慢的过程。因此,ALE可以与传统的氮化镓刻蚀工艺相结合。

“它可能需要一套蚀刻过程,解决了GaN Hemt和模仿制造的独特挑战,”林的Haynes说。“这些包括使用ALE来实现原子上精确,超低损坏和高度选择性蚀刻GaN / AlGaN结构。使用这种方法,与传统的稳态蚀刻工艺和等同于沉积的外延膜相同的表面粗糙度相比,我们已经证明了蚀刻后GaN薄片电阻的2倍降低。这种改进对改进的装置性能和可靠性有直接影响。“

最后,将基材变薄,底部镀上金属。根据Qorvo的说法,在衬底的顶部和底部之间形成过孔,这降低了电感。

结论
与此同时,多年来,供应商一直在讨论使用GaN作为智能手机的功率放大器。今天的手机使用砷化镓(GaAs)工艺作为功率放大器。

GaN对于智能手机来说太昂贵了。另一方面,GaN正在几个其他市场中获得牵引力,使其成为观看的许多技术之一。

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2评论

satwinder兰川 说:

优秀的5G挑战文章,

Taesung金 说:

非常全面,易于遵循技术阅读。谢谢你!

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