第三代化合物半導(dǎo)體微波射頻“芯”專家

談起半導(dǎo)體，人們首先想到的就是硅（Si），正是這種來源于沙子的超純凈的硅片造就了集成電路（IC）產(chǎn)業(yè)的半個(gè)多世紀(jì)繁榮。然而，這還只是第一代半導(dǎo)體材料的輝煌；目前，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代潮流仍在激蕩，而基于氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的第三代浪潮業(yè)已興起。本土IC 產(chǎn)業(yè)的弄潮兒早已在風(fēng)口浪尖上激流勇進(jìn)，為“中國(guó)芯”譜寫濃墨重彩的新篇章。

出于對(duì)第三代半導(dǎo)體發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)的興趣，我關(guān)注到以發(fā)展GaN 射頻器件為方向，致力于第三代化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的泰新半導(dǎo)體有限公司，通過與其創(chuàng)始人之一鄭文濤博士進(jìn)行交流，得到有關(guān)技術(shù)和市場(chǎng)的專家點(diǎn)評(píng)。

1   萬象更“芯”的化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)

從第一代到第二、三代半導(dǎo)體材料特性的比較和應(yīng)用領(lǐng)域如表1 所示。

表1 三代半導(dǎo)體材料特性的比較和應(yīng)用領(lǐng)域

鄭文濤介紹說，隨著應(yīng)用場(chǎng)景越來越多，突顯出硅基半導(dǎo)體的局限性，主要表現(xiàn)在自身性能無法在高溫、高頻、高壓環(huán)境中使用。而以GaAs 和GaN 為代表的化合物半導(dǎo)體材料脫穎而出，使新型器件市場(chǎng)空間得以拓展。GaN 作為第三代化合物半導(dǎo)體的佼佼者，以更高功率密度、更好熱傳導(dǎo)性、更高輸出功率、適用更高頻率等特性成為公認(rèn)發(fā)展方向，5G 通信技術(shù)和微波射頻創(chuàng)新需求適時(shí)地加速了這一進(jìn)程。

方興未艾的5G 通信系統(tǒng)建設(shè)帶動(dòng)了射頻芯片需求激增。采用大規(guī)模天線陣列的多進(jìn)多出（Massive MIMO）技術(shù)大幅提高網(wǎng)絡(luò)容量和信號(hào)質(zhì)量，但隨著天線由4T4R 通道向64T64R 甚至更高通道數(shù)演進(jìn)，如圖1所示，基站單元內(nèi)射頻芯片數(shù)量正大幅提升。與此同時(shí)，5G 組網(wǎng)采用小基站和超密度組網(wǎng)技術(shù)，使基站數(shù)量大幅提升。正是基站數(shù)量和基站單元內(nèi)射頻芯片數(shù)量的增加推動(dòng)射頻芯片需求劇增。

圖1 天線由4T4R通道向64T64R演進(jìn)

根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示， 中國(guó)5G 建設(shè)元年是2019 年，當(dāng)年基站端GaN 功率放大器（PA）同比增長(zhǎng)71%；2020 年市場(chǎng)規(guī)模為32.7 億元人民幣，同比增速為341%；預(yù)計(jì)到2023 年中國(guó)基站GaN 功率放大器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到121.7 億元。由于5G 小基站對(duì)5G 信號(hào)室內(nèi)覆蓋、提升用戶體驗(yàn)、實(shí)現(xiàn)超低延時(shí)、超大規(guī)模接入等關(guān)鍵特性起著至關(guān)重要的作用，在未來5~10 年內(nèi)，將是運(yùn)營(yíng)商部署包含分布式基站、微基站、皮基站等小型化5G 基站的建設(shè)周期。可以預(yù)測(cè)，2025 年僅中國(guó)四大電信運(yùn)營(yíng)商集采的小基站4G/5G 射頻器件將達(dá)到100億元的規(guī)模。

為5G 建設(shè)鋪路，廣電已緊急啟動(dòng)無線電視信號(hào)移頻工作，發(fā)射機(jī)面臨升級(jí)。千瓦級(jí)大功率PA、驅(qū)放等射頻器件未來兩年集中采購(gòu)約為2 到3 億元，之后每年穩(wěn)定采購(gòu)2 000 萬元以上，10 年合計(jì)約5 億元。廣電5G 廣播網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以移動(dòng)蜂窩基站組網(wǎng)為主，廣播電視發(fā)射塔為輔，將興建700 MHz 頻段5G 基站48 萬站，并借助于4.9 GHz、（3.3~3.4）GHz 頻段進(jìn)行補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)“低頻+ 中頻”的5G 精品網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。由此可見，大功率GaN 的PA 芯片需求迫在眉睫。

雷達(dá)是GaN 微波射頻另一個(gè)具有重要潛力的市場(chǎng)，雖然軍用雷達(dá)仍是重頭戲，但民用雷達(dá)市場(chǎng)穩(wěn)步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2026 年規(guī)模將達(dá)154 億美元左右，涵蓋氣象勘測(cè)、遙感測(cè)繪、導(dǎo)航防撞、交通管制等領(lǐng)域，GaN“中國(guó)芯”有助于國(guó)產(chǎn)廠家迎頭趕上。

2   令人“芯”動(dòng)的微波射頻芯片及模組

在巨大無線射頻市場(chǎng)規(guī)模的支撐下，中國(guó)的GaN射頻器件市場(chǎng)呈現(xiàn)旺盛態(tài)勢(shì)。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國(guó)氮化鎵（GaN）行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，2020 年達(dá)到66 億元人民幣，同比增長(zhǎng)57%，其中國(guó)防軍事與航天應(yīng)用占比53%；無線基礎(chǔ)設(shè)施占比為36%。預(yù)計(jì)到2025 年底，達(dá)到200 億元以上將不在話下。

然而“缺芯”的困擾同樣出現(xiàn)在無線射頻行業(yè)，鄭文濤指出，在通信領(lǐng)域，美日廠商長(zhǎng)期壟斷射頻市場(chǎng)，市場(chǎng)整體上高度集中，其中Broadcom、Skyworks、Murata、Qorvo 就占據(jù)了97% 的市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)射頻芯片廠商依然處于起步階段，市場(chǎng)話語權(quán)有限，產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足全球市場(chǎng)。在雷達(dá)領(lǐng)域，國(guó)外實(shí)施產(chǎn)品的出口限制越來越嚴(yán)苛，而國(guó)內(nèi)以往依賴科研機(jī)構(gòu)背景供貨廠商產(chǎn)能不足，且在定制開發(fā)、交付周期、服務(wù)質(zhì)量、產(chǎn)品價(jià)格方面無法滿足市場(chǎng)需求。因此，國(guó)產(chǎn)化芯片替代的需求日益緊迫。

對(duì)于射頻芯片的需求，通信產(chǎn)品側(cè)重于高頻段、高速率、高線性，而雷達(dá)產(chǎn)品側(cè)重于寬帶和大功率，而這正是GaN/GaAs 微波毫米波芯片可以勝任的強(qiáng)項(xiàng)。泰新半導(dǎo)體憑借先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)取得了豐碩的成果，目前已推出系列功率放大器、低噪聲放大器、射頻開關(guān)等產(chǎn)品，如圖2 所示。其中，大功率、高頻段GaN 芯片性能指標(biāo)堪為國(guó)內(nèi)標(biāo)桿，具有顯著優(yōu)勢(shì)。

泰新的系列功率放大器包括4G/5G 基站、衛(wèi)星通信、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗用微波毫米波功率放大器等；低噪聲放大器包括各類專用、通用低噪聲放大器等；而射頻開關(guān)包括高頻率、高隔離度、低插入損耗射頻收發(fā)開關(guān)、天線開關(guān)等。還有其他單片微波集成電路（MMIC），包括限幅器、Gain Block、衰減器等。

由于射頻芯片所涉及的無線性能指標(biāo)極為精密和復(fù)雜，只有具備專業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的資深工程師才有可能設(shè)計(jì)并完善。為更廣泛和有效地推廣國(guó)產(chǎn)化射頻芯片，泰新半導(dǎo)體憑借資深的專家人才優(yōu)勢(shì)，提供品質(zhì)穩(wěn)定可靠的封裝功放管、專用功放模塊、發(fā)射和接收（T/R）模塊組件，如圖3 所示。

系列封裝功放管包括金屬封裝、陶瓷封裝以及塑封多種封裝形式的（內(nèi)匹配）功放管；專用功放模塊包括大功率、小型化、高集成化專用射頻功放模組；而T/R組件則包括大功率、高性能微波毫米波射頻收發(fā)組件。對(duì)于大功率功放管，還有客戶項(xiàng)目定制高端射頻模塊、組件，都有量身定制的必要，以獲得更大的附加價(jià)值。

3   心“芯”相印的高端芯片全流程能力

泰新半導(dǎo)體成立僅兩年，就已經(jīng)形成六大微波射頻芯片及模塊產(chǎn)品系列，合計(jì)百余個(gè)型號(hào)，鄭文濤對(duì)此頗為欣慰。他表示，研發(fā)芯片設(shè)計(jì)核心技術(shù)才是關(guān)鍵所在，不僅要實(shí)現(xiàn)GaN 放大器單管芯設(shè)計(jì)，還要對(duì)多管芯極間匹配、多級(jí)放大管設(shè)計(jì)、DPD 數(shù)字預(yù)失真等核心技術(shù)具有足夠的功力，才能充分掌握針對(duì)最先進(jìn)GaN 材料工藝的毫米波芯片設(shè)計(jì)能力。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）