【功率器件心得分享】MACOM GaN在無線基站中的應用

　　MACOM GaN在無線基站中的應用

　　用于無線基礎設施的半導體技術正在經歷一場重大的變革，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性能和運營成本產生深遠的影響。氮化鎵顯而易見的技術優勢(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(MACOM GaN)使得二者成本結構趨于相當。

　　這里我們將詳細了解下LDMOS、碳化硅基(SiC)氮化鎵和MACOM氮化鎵技術的優缺點，從產品性能、成本控制以及供應鏈生態系統方面權衡它們的利弊。在無線基礎設施應用領域有著幾十年的經驗和專業知識，MACOM在評估它們在商業基站應用領域的專業度方面無疑更有發言權。

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

　　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秀的碳化硅基氮化鎵器件的效率相匹敵，與傳統LDMOS器件相比有10%的效率提升。若能被正確地應用，這個效率優勢會幫助節省大量電費，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，節省資本支出(CAPEX)，這將對營運商節省運營支出(OPEX)產生深遠的影響。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，一年節省的電費可超過$100M。

　　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℃的環境下MTTF超過106小時，由此可見該器件在基站現場確實和碳化硅基氮化鎵器件一樣穩健可靠，與傳統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實現與碳化硅基氮化鎵器件相同的熱性能。通過優化晶體管布線設計以及采用創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。

　　三、基于氮化鎵的器件引入了線性問題，很難用數字預失真技術來修正。

　　Doherty功率放大器結構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。這可以通過數字預失真(DPD)來修正，但實踐表明，碳化硅基氮化鎵器件實現DPD優化相當困難。碳化硅中的電荷捕獲效應被認為是由于其硅結構中的晶格缺陷所致，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更易于線性化和使用DPD技術來進行修正，并沒有遇到其它碳化硅基氮化鎵器件遇到的缺陷，從技術角度比LDMOS和碳化硅基氮化鎵更適合基站應用。

　　四、氮化鎵的功率密度優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的晶片加工流程相較LDMOS可以節省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構。

　　MACOM氮化鎵的高功率密度可實現更小的器件封裝。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，以適應大規模陣列MIMO收發天線架構的需求。MACOM的MAGb功率晶體管系列充分體現了這一功率密度優勢。該系列的初始產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器件和性能相當的碳化硅基氮化鎵器件尺寸相同。

　　五、在基站應用里用氮化鎵實在過于昂貴。

　　MACOM氮化鎵產品線所生產的氮化鎵的相關器件，其每瓦特功率的晶圓成本只有相應的LDMOS產品的一半，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，其量產成本顯著降低。MACOM氮化鎵成本控制方面具有明顯優勢。技術發展成熟后，硅基氮化鎵將受益于非常低的硅成本結構，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能便可滿足MACOM氮化鎵用于整個射頻和微波行業一年的需求。MACOM公司在6英寸硅晶圓生產(2017年轉為8英寸硅晶圓)領域的行業領先地位和與合作方的親密協作，進一步提高了生產能力并提供了產業必需的成本結構，破除了氮化鎵技術在商業基站市場應用中所面臨的障礙。

　　六、氮化鎵滿足不了基站行業的供應鏈需求。

　　生產碳化硅的高附加成本決定了只能由少量產品混合度高但產量低的晶圓廠提供，導致其缺少服務商業規模應用的能力，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，在商業規?；瘧脮r間也比較短，但硅材料卻已經擁有六十多年產業化和發展歷史。因此，硅基氮化鎵供應鏈效率自然更高。硅產業發展已為硅基氮化鎵在量產規模、庫存維護、滿足需求波動等方面打下了堅實的基礎。