占领GaN射频微波技术制高点,打破发达国家的垄断

2016年10月21日
随着绿色环保、低碳经济理念在全球不断的推广深入人心,运营商对于移动通信基站的效率提出了越来越高的需求。与此同时,由于移动通信市场数据业务的飞速增长,移动通信基站的带宽要求也从最初的20MHz向40MHz、60MHz直至100MHz一路攀升,未来的5G系统甚至需要1GHz。而在基站设备中,射频功放的能耗占到总能耗的60%左右,因此,大带宽、高效率、小体积,轻重量、低成本的射频功率放大器成为了未来移动运营商降低OPEX(运营成本)、实现绿色节能的最为有效的手段。
       目前,整个业界移动通信基站使用的基本上都是基于LDMOS技术射频功率放大器。LDMOS技术自上世纪九十年代应用于移动通信基站射频功率放大器应用以来,以其优异的性能迅速占领了几乎全部的2G和3G市场份额。全球每年用于移动通信基站的射频功率器件的销售数量大约一亿只,并且还在逐年的增加。由于这样巨大的市场份额支撑使LDMOS射频功率器件的成本迅速降低,目前已达到$0.1/W的水平。更为遗憾的是LDMOS射频功率器件的市场多年来一直被Freescale、NXP和Infineon三家欧美公司垄断,其中Freescale占据55%左右,NXP占据30%左右,Infineon占据15%左右的市场份额(图1是国际权威的调研机构ABI Research发布的移动通信基站射频功率器件2013年的调查数据)。面对如此巨大的市场需求,而我国的半导体企业却难以与其争锋、有所作为。
占领GaN射频微波技术制高点,打破发达国家的垄断

图1、移动通信基站射频功率器件2013年的调查数据
       随着超宽带、高频段LTE业务需求的不断涌现,LDMOS技术的疲态已现。一则由于LDMOS技术射频功率器件的最高工作频率在3.5GHz左右,在2.5GHz以上频段其效率则大幅下降;二则是面对80MHz甚至100MHz的超宽带信号,为满足DPD的校正需求,功放的VBW(视频带宽)必须大于300MHz,LDMOS技术的射频功率器件难以达到。
       而GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor,高电子迁移率晶体管)由于具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电压、更好的热导率、更高的电子饱和速率及更高抗辐射能力, 在新一代无线通讯基站等领域应用中具有较LDMOS和GaAs技术具有显著的优势。GaN功率器件的最高工作频率可达数十GHz,VBW是LDMOS器件的4倍以上;它具有高击穿电压、高功率功率密度、高输出阻抗等特性,其非常适合用作高频、宽带功率放大器,采用SiC衬底又可以大幅提高其散热特性,从而实现射频功放业界追求的高效率、超宽带、小体积的目标。GaN材料的固有特性优势,其高的工作电压、高的功率密度、高的工作频率和带宽以及能够实现高效率功率放大器等优点,因此,被认为是应用于下一代无线通信的理想射频功率器件技术,在不久的将来,基于SiC衬底的GaN射频功率器件必将代替LDMOS技术成为无线基站射频功放的主流技术。
       近年来,在全球经济疲软的大背景下,半导体行业的巨头们加快了兼并重组的步伐,通过强强联合提升企业竞争力。其中射频功率器件领域的案例如:2014年3月MACOM收购Nitronex聚焦Si衬底GaN射频功率器件研发;2014年9月RFMD和Triquint合并成立Qorvo和2015年3月NXP以118亿美元收购Freescale都是昔日竞争对手重新联合打天下;2016年7月Infineon以8.5亿美金收购CREE旗下的wolfspeed将极大地提升其SiC和GaN技术的核心竞争力。因此,对我们国家一而言,整合资源、集中力量打造移动通信基站射频功率器件的核心竞争力刻不容缓。
          有利的是,从全球来看GaN技术在移动通信基站射频功放的应用目前正处于一个起步阶段,是第三代半导体行业发展难得一遇的一个窗口期。科技部设立重点专项《面向下一代移动通信的GaN 基射频器件关键技术及系统应用》,支持该项技术研发,敏锐地抓住了机遇,集中国内最富实力的数家GaN半导体材料器件及系统应用企业,实现产业链整合,在材料、管芯、封装、模块、系统等关键技术点上全面突破,必将能够为我国避免LDMOS技术的被动局面,在未来GaN技术的全球竞争中实现弯道超车,占有一席之地打下坚实的基础。
         近十年来,我国通信业相继在3G下一代网络和光通信等技术领域取得重大突破,结出一批重大科研成果,为产业的可持续发展奠定了坚实基础。由TD-SCDMA演进的TD-LTE技术被国际电信联盟确立为国际4G标准之一,标志着我国通信业进入领跑世界的时代。另一方面,下一代的5G技术其系统整体设计远超过了4G的最小需求,相对于传统的ITU技术具有明显的优势,能大大提高无线通信系统的峰值数据速率、峰值谱效率、小区平均谱效率以及小区边界用户性能,同时也能提高整个网络的组网效率。我国在5G标准的制定、演示系统的研制及试验网的建设等方面都处于全球领先行列。而作为通信技术领域核心技术之一的射频功率器件却长期受制于西方国家,目前,几乎所有第三代半导体射频功率器件的技术研发和生产制造都掌握在欧美日三国的企业手里,虽然国内这方面的研究也已开展,但目前还没有成熟的产品在基站上应用。这种局面严重制约了我国新一代通信设备生产成本的降低和向上游产业进行产业链优化整合的能力,也不利于保障国家的信息安全。全球移动通信基站射频功率器件的市场规模在10亿美元左右,我国仅中兴、华为、大唐等企业的总需求就在3-4亿美元,国产GaN射频功率器件即使占到30%的份额,也将产生3亿美元左右的直接产值,带动近百亿美元的间接产值。因此,本项目的实施为实现
总书记提出的2020年时使我国进入创新型国家行列,到2030年时使我国进入创新型国家前列,到新中国成立100年时使我国成为世界科技强国目标而做出贡献,有着非常重要的社会意义。
作者:中兴通讯股份有限公司 别业楠、刘建利  转自微波射频网
来源:深圳市首质诚科技有限公司

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