第三代化合物半導體微波射頻“芯”專(zhuān)家

談起半導體，人們首先想到的就是硅（Si），正是這種來(lái)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)多世紀繁榮。然而，這還只是第一代半導體材料的輝煌；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“中國芯”譜寫(xiě)濃墨重彩的新篇章。

出于對第三代半導體發(fā)展狀況和趨勢的興趣，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體領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng )新的泰新半導體有限公司，通過(guò)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(zhuān)家點(diǎn)評。

1   萬(wàn)象更“芯”的化合物半導體市場(chǎng)

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

表1 三代半導體材料特性的比較和應用領(lǐng)域

鄭文濤介紹說(shuō)，隨著(zhù)應用場(chǎng)景越來(lái)越多，突顯出硅基半導體的局限性，主要表現在自身性能無(wú)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體的佼佼者，以更高功率密度、更好熱傳導性、更高輸出功率、適用更高頻率等特性成為公認發(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 通信系統建設帶動(dòng)了射頻芯片需求激增。采用大規模天線(xiàn)陣列的多進(jìn)多出（Massive MIMO）技術(shù)大幅提高網(wǎng)絡(luò )容量和信號質(zhì)量，但隨著(zhù)天線(xiàn)由4T4R 通道向64T64R 甚至更高通道數演進(jìn)，如圖1所示，基站單元內射頻芯片數量正大幅提升。與此同時(shí)，5G 組網(wǎng)采用小基站和超密度組網(wǎng)技術(shù)，使基站數量大幅提升。正是基站數量和基站單元內射頻芯片數量的增加推動(dòng)射頻芯片需求劇增。

圖1 天線(xiàn)由4T4R通道向64T64R演進(jìn)

根據權威機構數據顯示， 中國5G 建設元年是2019 年，當年基站端GaN 功率放大器（PA）同比增長(cháng)71%；2020 年市場(chǎng)規模為32.7 億元人民幣，同比增速為341%；預計到2023 年中國基站GaN 功率放大器市場(chǎng)規模將達到121.7 億元。由于5G 小基站對5G 信號室內覆蓋、提升用戶(hù)體驗、實(shí)現超低延時(shí)、超大規模接入等關(guān)鍵特性起著(zhù)至關(guān)重要的作用，在未來(lái)5~10 年內，將是運營(yíng)商部署包含分布式基站、微基站、皮基站等小型化5G 基站的建設周期?？梢灶A測，2025 年僅中國四大電信運營(yíng)商集采的小基站4G/5G 射頻器件將達到100億元的規模。

為5G 建設鋪路，廣電已緊急啟動(dòng)無(wú)線(xiàn)電視信號移頻工作，發(fā)射機面臨升級。千瓦級大功率PA、驅放等射頻器件未來(lái)兩年集中采購約為2 到3 億元，之后每年穩定采購2 000 萬(wàn)元以上，10 年合計約5 億元。廣電5G 廣播網(wǎng)絡(luò )架構以移動(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(wàn)站，并借助于4.9 GHz、（3.3~3.4）GHz 頻段進(jìn)行補充，實(shí)現“低頻+ 中頻”的5G 精品網(wǎng)絡(luò )構建。由此可見(jiàn)，大功率GaN 的PA 芯片需求迫在眉睫。

雷達是GaN 微波射頻另一個(gè)具有重要潛力的市場(chǎng)，雖然軍用雷達仍是重頭戲，但民用雷達市場(chǎng)穩步增長(cháng)，預計2026 年規模將達154 億美元左右，涵蓋氣象勘測、遙感測繪、導航防撞、交通管制等領(lǐng)域，GaN“中國芯”有助于國產(chǎn)廠(chǎng)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(wú)線(xiàn)射頻市場(chǎng)規模的支撐下，中國的GaN射頻器件市場(chǎng)呈現旺盛態(tài)勢。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國氮化鎵（GaN）行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰略規劃分析報告》顯示，2020 年達到66 億元人民幣，同比增長(cháng)57%，其中國防軍事與航天應用占比53%；無(wú)線(xiàn)基礎設施占比為36%。預計到2025 年底，達到200 億元以上將不在話(huà)下。

然而“缺芯”的困擾同樣出現在無(wú)線(xiàn)射頻行業(yè)，鄭文濤指出，在通信領(lǐng)域，美日廠(chǎng)商長(cháng)期壟斷射頻市場(chǎng)，市場(chǎng)整體上高度集中，其中Broadcom、Skyworks、Murata、Qorvo 就占據了97% 的市場(chǎng)份額。國內射頻芯片廠(chǎng)商依然處于起步階段，市場(chǎng)話(huà)語(yǔ)權有限，產(chǎn)量遠遠無(wú)法滿(mǎn)足全球市場(chǎng)。在雷達領(lǐng)域，國外實(shí)施產(chǎn)品的出口限制越來(lái)越嚴苛，而國內以往依賴(lài)科研機構背景供貨廠(chǎng)商產(chǎn)能不足，且在定制開(kāi)發(fā)、交付周期、服務(wù)質(zhì)量、產(chǎn)品價(jià)格方面無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。因此，國產(chǎn)化芯片替代的需求日益緊迫。

對于射頻芯片的需求，通信產(chǎn)品側重于高頻段、高速率、高線(xiàn)性，而雷達產(chǎn)品側重于寬帶和大功率，而這正是GaN/GaAs 微波毫米波芯片可以勝任的強項。泰新半導體憑借先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢，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(kāi)關(guān)等產(chǎn)品，如圖2 所示。其中，大功率、高頻段GaN 芯片性能指標堪為國內標桿，具有顯著(zhù)優(yōu)勢。

泰新的系列功率放大器包括4G/5G 基站、衛星通信、點(diǎn)對點(diǎn)通信、雷達、電子對抗用微波毫米波功率放大器等；低噪聲放大器包括各類(lèi)專(zhuān)用、通用低噪聲放大器等；而射頻開(kāi)關(guān)包括高頻率、高隔離度、低插入損耗射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)、天線(xiàn)開(kāi)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(wú)線(xiàn)性能指標極為精密和復雜，只有具備專(zhuān)業(yè)系統應用經(jīng)驗的資深工程師才有可能設計并完善。為更廣泛和有效地推廣國產(chǎn)化射頻芯片，泰新半導體憑借資深的專(zhuān)家人才優(yōu)勢，提供品質(zhì)穩定可靠的封裝功放管、專(zhuān)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（內匹配）功放管；專(zhuān)用功放模塊包括大功率、小型化、高集成化專(zhuān)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。對于大功率功放管，還有客戶(hù)項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，合計百余個(gè)型號，鄭文濤對此頗為欣慰。他表示，研發(fā)芯片設計核心技術(shù)才是關(guān)鍵所在，不僅要實(shí)現GaN 放大器單管芯設計，還要對多管芯極間匹配、多級放大管設計、DPD 數字預失真等核心技術(shù)具有足夠的功力，才能充分掌握針對最先進(jìn)GaN 材料工藝的毫米波芯片設計能力。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）