5G通信基站用化合物半导体射频器件应用场景及发展

王强 宋学峰

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）

中国移动启动5G 预约之后，中国联通和中国电信也启动了5G的线上预约，截止目前，预约用户已破千万，商用进程继续加快。我国Sub-6GHz 频段5G 于2020年实现商用，5G 毫米波预计在2022年后实现商用。作为5G 通信基础支撑的中高频器件的成熟是5G 通信产业成熟的基础，随着5G 产业的日趋火热，核心元器件的研发更是迈上加速的步伐，本文对化合物半导体射频器件在5G 基站应用中的技术现状及发展进行简要论述。

1 化合物半导体在5G基站中的应用场景浅析

目前，较为成熟的化合物半导体主要包含GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）GaN（氮化镓）等[1-2]，各种半导体以其各自特点形成不同特性的器件，GaN 更是以其宽禁带、大功率特性成为近几年研究及产业重点。化合物半导体在5G 基站中的应用场景示意如图1所示。

GaAs 材料具备适中的禁带宽度、电子迁移率，且工艺技术成熟，除在中频段大量应用于终端功放及微基站（GaAs HBT 器件）外，适于100GHz 以内5G 中高频段低噪声放大器的研发[3]。GaAs E-PHEMT 在5G 中高频段低噪声放大器优势明显，GaAs PHEMT在5G 高频段中功率基站放大器方向，也可有不错的表现[4]，但在大功率放大器较GaN 工艺无优势；GaAs PIN 工艺可开发较高速度、小插损开关，但与Si RF-SOI 工艺比较无技术优势。当前GaAs 工艺多采用6 英寸制程，具备成熟的材料外延技术，成本处于中等水平。

图1：化合物半导体在5G 基站中的应用场景示意

InP 材料具备超高的电子迁移率，高频性能优势明显[5]。InP HBT 工艺国外SkyWorks 等公司正在开展研究用于5G 中高频段终端功率放大器。InP HEMT 因其材料高的电子迁移率，在毫米波至THz 低噪声放大器有明显优势，或在后5G 时代能有所应用。不论是InP HBT 还是InP HEMT，目前制程在3～4 英寸，批产能力相对GaAs 弱势。而GaAs MHEMT 是在GaAs 衬底上进行InP 外延，既保留了InP 的优良频率特性，又能将衬底增至6 英寸，国际上GaAs 上InP 外延技术已有突破性进展[6]。

GaN 材料具备高的禁带宽度，良好的热导率，适合进行高压、大功率器件的研制，在5G 基站用功率放大器方向由其是中频段大功率领域将具备无可替代的地位[7-8]。SiC 上GaN 衬底成本较高，制程为4～6 英寸。此外，Si 上GaN 是在Si 衬底上进行GaN 外延，既保留了GaN 的优良功率特性，又能将衬底增至Si 基水平，成本有优势但热导率有所下降，影响其适用范围。在高频段，将功放、开关、低噪放一体集成，形成GaN 多功能前端芯片，是目前随应用牵引出现的新研究方向[9]。化合物半导体在5G 基站中的应用场景如表1所示。

表1：化合物半导体在5G 基站中的应用场景

2 基站用化合物半导体国内外发展现状

目前，境外具备生产制备GaAs 器件及芯片的工艺能力的主要厂家有：Skyworks、MACOM、Qorvo、Avago、WIN（稳懋半导体）、AWSC（宏捷科技）等, 其中稳懋半导体、宏捷科技是专注于GaAs工艺制造代工服务的公司，且均已发展四代以上，Skyworks、Qorvo、Avago、MACOM 等公司具备GaAs HBT 微基站功放及低噪声放大器的深厚研制基础，目前集中于Sub-6GHz，已发布多款中频段开关低噪放模组或低噪声放大器，其中开关多采用Si SOI 方案，低噪放多采用GaAs 工艺[10]。

国内具备GaAs 相关技术的主要厂家主要有厦门三安、成都海威华芯、中国电科等，其中厦门三安、成都海威华芯是具备GaAs工艺制造代工服务的公司，目前厦门三安具备一定的GaAs HBT 功放代工能力，部分厂家具备GaAs 低噪放器件研制生产能力，开关低噪放模组处于小批量阶段。

在GaN 方面，美国CREE 公司的SiC 衬底材料占据了全球市场份额的50%以上，4 英寸及6 英寸SiC 衬底相对成熟，另外IIVI、Dow Corning、Rohm 和昭和电工也占据较大份额。对于GaN器件，国外知名公司（如Cree、Sumitomo、Qorvo、MACOM、RFHIC 等）均有成熟产品，韩国RFHIC 在6GHz 以内功率放大器委托Cree代工，MACOM公司收购Nitronex进行Si上GaN产品开发。目前国外5G 中频段GaN 器件已批量供货且占据大部分市场[11]。

有别于4G 以前基站用射频功率器件完全被国外垄断的被动局面，在当前阶段，由于第三代半导体的提前布局，国内GaN 技术发展并未滞后较多，SiC 衬底方面，环节有山东天岳、天科合达已在4 英寸实现量产，GaN 材料外延环节主要有苏州晶湛、江西晶能、东莞中镓、中国电科等，GaN 器件方面，三安光电、苏州能讯、中国电科均有布局，在5G 中频段GaN 器件有望取得产业化突破。

以上主要简要描述了中频段化合物发展情况，在毫米波高频段方面，随着标准的推动，方案还未明确，目前射频方案主要包含全集成与半集成两种覆盖低/中/大功率场景，全集成的射频方案主要通过Si 或SiGe 射频通道全集成实现，为低功率方案；半集成的射频方案，主要通过GaAs/GaN 的前端（功放、开关、低噪放）+Si 幅相集成电路，分别对应中/大功率方案，在同样的EIRP 指标下，通过较少的通道数、较大的单通道发射功率、较宽的波束宽度实现，有望在室外或者长距离覆盖场景降低成本。

毫米波中/大功率场景方面，GaAs 方案在性能及经济综合性方面不具备优势逐步处于弱势，近期MACOM 发布了27.5-30GHz的4W 功率放大器，采用了GaAs 全钝化工艺以提高可靠性。GaN高频方面国外主要研究单位有Qorvo、OHMIC、MACOM 等，其中Qorvo 发布多款39GHzGaN 前端多功能芯片产品，将功放、开关、低噪放进行片上集成，OHMIC 在此频段重点开发Si 上GaN工艺，并有28GHz GaN 前端多功能芯片报道。国内中国电科具备高频GaN 研制能力，并在进行前端样品研发[12-13]。

3 基站用化合物半导体发展机遇、问题及建议

5G 应用方面，因其相控阵架构需要，对元器件的需求量大幅增长，必然带动化合物半导体的快速发展。以GaN 为例，根据爱尔兰Fact.MR 公司发布研究报告预测，2017 ～2026年，氮化镓（GaN）射频器件市场将以18.4%的复合年增长率增长，市场规模将在2026年底超过15 亿美元，通信仍将是主要应用，无线基础设施将成为GaN RF 器件中利润最丰厚的应用。

然而，从国内外发展来看，我国化合物半导体存在如下几个问题或差距：

（1）在GaAs 方面，国外已深耕多年，国内虽有产品跟随，但响应速度及盈利能力具备差距；

（2）SiC 衬底方面，4 英寸生长质量及产能需提升，同时6 英寸大尺寸技术有差距；

（3）GaN 工艺及器件方面，技术虽未落后较多，但产业化能力差距大，另外在中频段高集成模组、高频段功放及模组方面布局及投入有限。

针对以上分析，本文提出几点发展建议：

（1）加大投入力度，聚焦扶强，重视产业能力提升。针对具备产业发展前景的核心企业和重点项目聚焦扶强，加大对5G 中高频化合物衬底、工艺、器件产品研发和产业化的支持力度，地方财政对相关领域加大投入，推动基金等资源向5G 中高频器件相关企业倾斜。

（2）促进产业链联盟建立，推动应用带动作用。促进建立材料、器件、封装、应用产业链联盟，推动设备制造商的应用带动作用，落地中频布局高频。建立健全政府、企业、行业组织和产业链联盟等协同推进机制，加强在技术攻关、产业推进等方面的协调配合。

（3）提前部署，加强基础元器件接续研发能力。推动明确5G高频段频率规划方案，为国内企业发展5G 高频器件指明方向，激励引导企业的5G 高频器件研发和创新。

（4）鼓励创新，推进国际合作，拓宽海外市场渠道。鼓励自主创新，获得知识产权主动权，推动国内企业积极参与技术引进、知识产权合作、跨国并购等国际合作，鼓励骨干企业加大海外布局力度，推动设立海外研发中心、销售网络，拓宽海外市场渠道，提高国际市场拓展能力。

4 结论

本文针对5G 商用化进程对化合物射频元器件的需求，从当前较为成熟的各类化合物半导体器件特性出发，分析了其在基站中的应用场景，叙述了化合物半导体技术及产品国内外发展现状，基于此梳理了问题及差距，最后针对性的提出五点发展建议，为化合物半导体射频器件在5G 领域的发展提供参考。