接續前文: GaN:適合5G應用的高頻基板材料  

GaN將成為5G成功關鍵因素之一

「在26GHz、28GHz、37GHz和39GHz等附近的推薦mmWave頻段上,仍有大量的元件研發工作要做;不過(除了Qorvo的元件以外)這些元件大都是採用砷化鎵(GaAs),而非GaN。」(資料來源:Innovate UK)

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圖1:GaN技術的優勢在於可為5G無線基礎設施提供更高效、更強大的基地台創新解決方案。
(來源:Qorvo)

美商Qorvo的QPF4006晶片是一種針對5G應用的整合前端模組,檢視此元件的性能就很容易理解GaN作為積體電路基板材料的價值所在(參考圖2);如該公司新聞稿的敘述:「QPF4006是一款多功能氮化鎵單晶微波積體電路(MMIC)前端模組,適用於39GHz相位陣列5G基地台和終端。該元件整合了低雜訊高線性度LNA、低插入損耗(low insertion-loss)、高隔離度TR開關,以及高增益高效率多級(multi-stage)放大器。QPF4006的運作頻率範圍為37GHz至40.5GHz。其接收通道(LNA+TR SW)具有18dB的增益和小於4.5dB的雜訊係數。發送通道(PA+SW)提供23dB的小訊號增益和2W的飽和輸出功率。該元件的4.5mm×4.0mm表面黏著封裝尺寸可以滿足相位陣列應用的緊密點陣間距要求。QPF4006採用Qorvo的0.15微米碳化矽上氮化鎵(GaN on SiC)製程生產,使用氣腔層疊封裝(air-cavity laminate package),內置銅質散熱片。銅片與低熱阻黏晶(die-attach)製程相結合,可讓QPF4006在相位陣列應用所需的極端溫度下運作。」

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圖2:Qorvo針對5G前端模組應用開發的GaN解決方案。
(來源:Qorvo)

GaN作為一種新基板材料所帶來的效能,為5G技術的成功提供了一個很好的機會;根據《Electronic Design》上的一篇文章:

「5G正在迅速逼近,預計到2019年即將開始佈署。最初,行動營運商只會聚焦他們認為有很大潛在需求和商機的特定應用。但是,5G將會擴大無線通訊的全球使用。2020年及以後的第二波應用將包括車用通訊、家庭自動化、虛擬實境和潛在的毫米波(mmWave)智慧型手機。同時,4G也將繼續得到增強,並且在未來數年內仍將是行動通訊網路的主流,即使5G可以提供更高的資料速率和更多新服務…

但是,mmWave頻率下的路徑損耗是一個關鍵挑戰。植被、牆壁、甚至玻璃等障礙物,以及城市環境中的各種干擾,都會產生重大影響。為了補償,固定無線接入(FWA)基礎設施將不得不使用大型天線陣列和大輸出功率(參考圖3)。目前正在考慮的基地台設計包含64到1,024個天線單元,具體取決於所使用的技術,典型指標是65dBm EIRP (等效全向輻射功率)…正在考慮的方法是使用矽鍺(SiGe) BiCMOS波束成形器與前端的混合波束成形架構。由於SiGe的功率密度有限,這可能需要非常大的天線陣列,多達1,024個單元或更多,而將超過基地台功耗和散熱上限。如此大的陣列也會使訊號路由複雜得多。另一種替代架構也是採用混合波束成形,但是是將矽基波束成形器與GaN RF前端相結合。由於GaN具有更高的功率密度,因此可實現更小、更高效的大功率PA。使用GaN PA可能僅需要64個單元的陣列就能獲得相同的EIRP,這可以將成本降低80%,並且功耗也可以降低40%。」

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圖3:用於5G mmWave固定無線接取的大規模MIMO混合波束成形架構。
(來源:「Evolving 5G Landscape Creates New RF Challenges, from Electronic Design」,《Electronic Design》)

通往5G的道路已經打開,GaN會是克服挑戰、成功實現5G的關鍵因素。

GaN與矽材料結合實現5G通訊晶片

GaN可以與矽材料結合,開發能實現5G通訊技術的晶片;根據Innovate UK網站上的資訊:

「MACOM已經提出了使用矽基板實現6GHz以下頻率、多功能、多技術5G前端的可能性。據該公司表示,在單顆矽晶片上實現GaN元件和CMOS元件的同質整合,將為實現整合晶片上數位控制和校準,以及晶片上配電網路等功能的多功能數位輔助RF MMIC創造前景。MACOM還明確表示,其與ST最近達成了一項製造合作協定,旨在為使矽基GaN技術能夠真正與矽供應鏈競爭提供所需的可擴展性。」

MACOM正在透過基於GaN等材料的新技術促進5G的發展,因此在效率和寬頻率範圍內具有更高的性能(參考圖4);該公司的官網訊息指出:

「…MACOM提供廣泛的產品,包括RF功率電晶體、MMIC、交換器、功率放大器、雷射器、放大器PHY以及整合模組,因此能夠實現高能效的高階波束成形,並且還具有商業上可行的成本結構。憑藉從GaAs和AlGaAs到SiGe和GaN的多種半導體製程和技術,再結合我們業界領先的產品設計和封裝專業技術,MACOM可提供5G MMIC、E波段MMIC,以及5G功率放大器和交換器等。」

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圖4:MACOM的5G產品組合。
(來源:MACOM)

包括GaN在內的新基板材料提供了許多的可能性,包括能夠覆蓋更寬廣的頻率範圍,如圖5所示。

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圖5:MACOM從4G到5G的RF、mmWave和光學半導體解決方案。
(來源:MACOM)

GaN材料在用來設計針對RF應用的IC時非常有效,這也是MACOM專注於用矽基GaN技術來設計RF功率電晶體的原因(見圖6);根據該公司的介紹:

「MACOM是針對射頻應用提供矽基GaN技術供應商,我們以離散元件和模組的形式提供一系列連續波(CW)矽基GaN RF功率電晶體產品,運作頻率從DC到6GHz。我們的大功率CW和線性電晶體特別適用於民用航空電子、通訊、網路、長脈衝雷達,以及工業、科學和醫療等應用。憑藉MACOM六十年來利用矽基GaN技術提供標準和客製化解決方案的傳統,我們的產品組合可以滿足客戶最嚴格的需求。我們的矽基GaN產品以離散電晶體和整合放大器的形式提供,其採用0.5μm HEMT製程製造,對功率、增益、增益平坦度、效率和耐用性等來說,在很寬的頻段範圍內都表現出優異的RF性能。」

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圖6:MACOM生產的MAGOM-011086矽基GaN電晶體。
(來源:MAGX-011086)

產業界其他對GaN技術研發的投資

目前電子產業有許多重要公司正在大量投資GaN技術;Innovate UK網站指出:

「已經參與5G基礎設施設計的英國業者有Teledyne,該公司正在與一家一線供應商合作開發E波段固定無線接入;還有Filtronic Broadband,該公司與Plextek RFI合作設計出了26GHz 5G前端模組平台,並致力於大容量E波段和W波段的5G骨幹網路開發。」

GaN材料在高功率密度、功率附加效率(power added efficiency,PAE)和增益方面具有非常好的性能,還可以簡化阻抗匹配,從而提高RF鏈路的整體效率,這些特性對於5G毫米波頻段非常重要(參考圖7);根據無線產業研究機構MARAVEDIS的報告:

「毫米波是指波長為1~10mm,即頻率範圍為30~300GHz的電磁頻譜範圍。然而,在5G應用場景下,毫米波這個術語經常延伸到包括稍低的頻率(低至約24GHz,對應的波長為12.5mm),以便包括所有可行的5G頻段。預計5G網路不會採用高於100GHz (即低於3mm)的毫米波。

目前大多數無線技術所使用的波長都比毫米波長得多。例如,Wi-Fi和藍牙都使用2.4GHz ISM頻段來廣播訊號,即它們使用的波長為125mm。AM無線電廣播中所使用的波長甚至更長,達到2km…幸運的是,由於毫米波對5G網路和其他應用很有前景,相關研究正在全力進行中。

在過去幾年中,許多概念上驗證過的毫米波系統已被設計出和原型化,並且已經展示出毫米波系統在現場的有效性…毫米波對於未來5G網路發展的一個不利條件是,授權毫米波頻譜已經開始被幾家大型網際網路服務供應商(ISP)所壟斷,如美國的Verizon和AT&T等。可行的5G毫米波頻段受到這些供應商的不公平壟斷所支配。整體來說,他們分別擁有主流28GHz和39GHz頻段的55%和66%…然而,好消息是,非授權和輕授權的毫米波頻譜,例如60GHz V頻段和70/80GHz E頻段,可以提供毫米波的優勢,而沒有授權頻譜的高昂成本。這使得較小的ISP也能夠在大型服務供應商的壟斷行為下保持競爭力。」

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圖7:60GHz頻段的優勢。
(來源:《5G Fixed Wireless Gigabit Services Today》,MARAVEDIS)

應用頻率的範圍正在逐步成長,GaN的貢獻有可能助長此一趨勢;例如電子技術領域的一個新興應用是利用Wi-Fi SoC IoT平台來開發物聯網(IoT)應用,例如Qualcomm開發的QCA402x就是其中之一,參考圖8。

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圖8:QCA402x功能區塊圖中的SoC能夠在2.4~5GHz的Wi-Fi頻率範圍內運作(僅限QCA4020)。
(來源:Qualcomm)

GaN基板材料支援5G基地台高頻需求

通訊基礎設施的趨勢是具有極高的資料速率和盡可能接近零的延遲,5G協定尤其需要一種基板材料,能夠在高頻下運作,從而確保實現這樣的要求。GaN材料可能解決這個問題——它可以作為基板材料,實現歐洲通訊網路中高速基地台所需的電子整合元件;Innovate UK網站指出:

「隨著業界對更寬頻寬、更高效率和更高線性度的需求推動GaN技術的採用,另一個趨勢是用GaN元件來替代4G基地台中的LDMOS,特別是在即將部署LTE-Advanced載波聚合的情況中。作為5G提案的一部分,其遠大的節能目標也顯然會推動GaN的採用,而3.4~3.8GHz範圍(被認為是適合歐洲早期推出5G服務的主要6GHz以下頻段)內的新電晶體的開發也預料到了這一點。對於毫米波開發來說,雖然5G毫米波頻段還沒有正式確定,但最終會是什麼樣的已經越來越清晰。歐盟委員會無線頻譜政策小組(RSPG)在其歐洲戰略路線圖(Strategic Roadmap towards Europe,2016年11月)中推薦將26GHz左右的頻段作為毫米波5G的「先鋒頻段」(Pioneer Band),這自然成為一些歐洲廠商產品開發的焦點。正在開發中的其他候選頻段還包括28GHz (27.5~28.35GHz)、37GHz (37~38.6GHz)和39GHz (38.6~40GHz)的FCC授權頻段。」

RSPG在其「RSPG18-005 FINAL」中詳細解釋了這些考慮因素(見表1):

  • 在一些國家,在1GHz以下頻段推出5G可能是對LTE逐步演進,而不是新發佈的頻譜。因此,為了加速或擴展5G覆蓋,而去在這些頻段中推出新的5G特定覆蓋義務,其機會可能有限。應考慮營運商之間的競爭是否會促使市場及時遷移到5G,或是否應考慮監管干預。
  • 對行動網路營運商提出覆蓋義務要求,通常會使這些網路的所有使用者受益。但是,5G要服務於不同的垂直產業,會用網路切片(network slices)提供虛擬私人網路,可能會根據位元速率、延遲、可用性、可靠性和速度等特性的最低性能要求,來為不同的客戶群提供不同等級的服務。
  • 業界會定義此類服務性能和可用性要求,成員國必須考慮覆蓋義務方面的後果。在跨境服務的情況下,如果在歐盟範圍內使用共同的服務性能和可用性要求,將會很有幫助。
  • 5G的定義和開發專注於為促進城市和郊區的資料速率和容量大幅成長,開發合適的技術要素,這對鎖定於1GHz以上頻段的增強型行動寬頻的開發尤其如此。

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表1:24GHz以上5G考慮採用的各個頻段。
(來源:《RSPG Second Opinion on 5G networks》)

GaN在半導體領域的應用開闢了前所未有的新成果,根據《MICROWAVES & RF》網站上的一篇報導(參考圖8):

「來自瑞典、法國和俄羅斯的研究人員合作設計和製造了一種基於GaN緩衝層的波導平衡、聲子冷卻(phonon-cooled) NbN熱電子輻射熱計(hot-electron-bolometer,HEB)混頻器。他們用該混頻器設計了一款運作於1.3THz本地振盪器(LO)頻率的雙邊帶(DSB)接收器,取得了極低的雜訊溫度,可用於分析很寬頻寬的太赫茲頻率訊號。儘管先前針對THz應用也開發出了這種GaN基NbN混頻器,但與矽基板的混頻器相比,這種THz混頻器的雜訊性能幾乎沒有記錄。這些研究人員採用Y因數技術(Y-factor technique)來特徵化混頻IC,透過微影來製造它們並將其安裝在THz波導接收器元件中,然後用其測量接收器的雜訊溫度。」

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圖9:由基於矽基板(Tc=10.5K)和基於GaN緩衝層(Tc=12.5K)的NbN製作之HEB電橋的電阻溫度特性曲線比較。
(來源:《Study of IF bandwidth of NbN hot electron bolometers on GaN buffer layer using a direct measurement method》)

GaN未來可望支援更多應用

GaN是一種充滿前景、適合電子技術應用的基板材料,未來有望支援多種可能應用開發。半導體產業正專注於研究將GaN與其他類型的基板材料結合使用,以便在許多細分產業領域獲得性能的提升,如市場研究機構Yole Développement的一篇報告指出(參考圖10):

「…GaN在不同產業的發展規劃包括無線基礎設施、國防和航太、衛星通訊、有線寬頻和其他ISM頻段應用。Yole提供了一份完整的分析報告,其中涵蓋多家不同的新興GaN開發商,以及600多種GaN元件,應用範圍涉及雷達、基地台收發器、CATV、VSAT和干擾器(jammer)等。這份報告還詳細分析了2020年以後與SiC基GaN和矽基GaN開發相關的不同場景。未來兩年銷售可能不會大幅飆升,但成長將會繼續,這主要是由無線基礎設施和國防市場更多採用GaN技術所推動。在5G網路部署的帶動下,2019到2020年將會出現快速成長。到2022年底,市場規模將擴大2.5倍,從2016到2022年的年複合成長率達14%。」

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圖10:GaN材料在電子領域應用的市場策略。
(來源:Yole Développement)

事實證明,採用GaN實現的IC在5G技術應用中表現非常出色的性能,由於這種材料在很寬的頻率範圍內都具有優異的性能,因此很快被5G應用所採用;根據產業組織GTI (Global TD-LTE Initiative)的一份報告(參考圖11):

「工程基板是多種材料堆疊的組合。原則上,任何東西都可以疊加在其它東西上,甚至下面什麼都沒有。創建這些工程基板需要有三個方面的專業知識:Smart Cut、Smart Stacking和磊晶(Epitaxy)…第四項是材料科學,它是工程基板工程師的DNA。矽是最知名的材料。而複合材料如GaAs、GaN和磷化銦(InP)等,則對射頻和大功率應用以及光子學和照明特別有用。想參與這些應用的公司還需要有化合物半導體專業知識。」

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圖11:Skyworks前端模組系列產品和技術。
(來源:《GTI 5G Device RF Component Research Report》,GTI)

你是否曾有機會驗證利用GaN基板技術保證之5G通訊前端模組性能增強?你認為這類基板是否能在未來的電子技術領域被大幅採用?歡迎與我們分享你的看法!

本文同步刊登於2019年1月號電子技術設計平面雜誌

原文刊載於EDN姊妹刊,ASPENCORE旗下Planet Analog網站;參考連結: