半導體技術在不斷提升，端設備對于半導體器件性能、效率、小型化要求的越來越高。尋找硅（Si）以外新一代的半導體材料也隨之變得更加重要。在50多年前被廣泛用于LED產品的氮化鎵（GaN），再次走入大眾視野。特別是隨著5G的逐步商用，也進一步推動了以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）代表的第三代半導體材料的快速發展。

意法半導體功率晶體管部門，戰略市場、創新及重點項目經理Filippo Di Giovanni

氮化鎵or碳化硅？誰將成為5G時代的最大受益者？

意法半導體功率晶體管部門，戰略市場、創新及重點項目經理Filippo Di Giovanni先生在與中電網記者的邀約采訪中稱，對于整個第三代半導體技術，尤其是氮化鎵（GaN），5G開始商用是一大利好。根據法國市場分析機構Yole Développement的調查報告，到2024年，寬帶隙射頻功率半導體市場規模將超過20億美元。第三代半導體材料又稱寬帶隙材料，是那些帶隙寬度較大（Eg≥2.3 eV）的半導體材料，主流的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），以及非主流的氧化鋅（ZnO）、金剛石和氮化鋁（AlN）是第三代半導體技術的主要代表。

寬帶隙功率半導體

與第一代和第二代半導體材料相比，第三代半導體除能隙較寬外，擊穿場強、導熱率、電子飽和速率和抗輻射性也很出色。與硅、砷化鎵、鍺、甚至碳化硅器件相比，GaN器件的開關頻率、輸出功率和工作溫度更高，適合1-110 GHz的高頻通信應用，涵蓋移動通信、無線網絡、點對點和點對多點微波通信，以及雷達應用。集這些優點于一身，GaN已被證明非常適合5G基站功率放大器，取代4G以及前幾代無線基礎設施廣泛應用的LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）。目前，按照襯底材料是硅或SiC劃分，GaN射頻產品分為兩大類，每類都有各自優缺點。

高能效、尺寸緊湊、低成本、高功率密度和高線性度是5G基礎設施對射頻半導體器件的硬性要求。就寬帶性能、功率密度和能效而言，以硅LDMOS和GaAs為主要代表的傳統技術遠遠落后于GaN HEMT技術，無論襯底是硅還是SiC，都是如此。正是這項技術滿足了5G應用對散熱的嚴格要求，同時確保節省印刷電路板空間，滿足大規模MIMO天線陣列的安裝需求。在基站中，節省空間的多功能GaN MMIC芯片和多片模塊取代了分立設計。此外，5G新頻段射頻信號和數據處理硬件導致功耗不斷增加，使5G基站的整個供電系統，從電網容量到機柜尺寸、備用儲電系統、功率密度和電力電子設備的冷卻能力，不堪重負。因為在功率轉換應用方面的價值主張，例如，能效和功率密度比其它功率半導體技術更高，GaN再次成為5G熱點的最大受益者之一。

GaN技術將會走向何方？

自硅基器件推出至今已有超過70的歷史，而GaN技術的發展才剛剛開始，對于GaN技術的發展趨勢，Filippo Di Giovanni先生稱，除射頻信號處理領域之外，僅在功率轉換方面，SiC和GaN有望引發一場技術革命，因為SiC已經用于電動汽車的驅動電機逆變器，并沿著汽車大規模電動化道路穩步發展，而GaN的技術優勢使其更容易進軍電源適配器、充電機、OBC（車載充電機）、數據中心、輕混汽車等所有的無處不在的應用領域。功率GaN HEMT市場規模預計2028年將達到17億美元，能效提高，尺寸縮小，以及所有的需求很大的功能，使其成為5G基站電源PSU的最佳解決方案。

5G時代不僅宏基站的密度將會更高，需要功率密度更高的基站收發臺，而且還會出現更小的網絡單元（“皮基站”和“飛基站” ），以增加網絡容量，擴大網絡覆蓋范圍。當然，主要目標是減輕宏基站的過重負擔。5G開始商用還改變了射頻信號頻段，以及信號收發方式。當前，我們看到的大多數移動通信頻率是在3 GHz以下和3 GHz至6 GHz（低于6 GHz）的中頻段，不過，現在開始出現以前被認為不適合移動通信的新頻段，例如，高于24 GHz的高頻毫米波。物聯網、V2V（車間通信）、自動駕駛、遠程醫療、智能制造等新興應用刺激了對更高比特率和更短延遲的需求，迫使基站廠商采用基于多輸入和多輸出的新架構，即可以處理大量信號的大規模MIMO（多輸入和多輸出）天線。預計基站有源天線波束成形技術將繼續取得進步，最大限度地提高頻譜利用率。在5G開始商用過程中，安裝小型蜂窩天線的部署將推動市場對緊湊、高效的RF GaN器件的需求。關心大規模MIMO基站中5G信號處理電路功耗的設計人員，將更加注重半導體能效，進而求助GaN供應商開發出更高性能的產品。

碳化硅襯底GaN的不足之處

5G受到追捧是有充足的理由的。根據CCS Insight的預測，到2023年，5G用戶數量將達10億，到2022年，5G蜂窩基礎設施將承載近15％的全球手機流量。與LDMOS相比，GaN使系統能夠實現更高的功率密度，有助于降低基站的尺寸，并可以使用不太復雜的冷卻硬件。GaN在5G頻譜中的更高能效表現可以降低位/秒的運營成本以及環境影響。同樣，GaN更適應高濕度、多灰塵、極熱和功率波動的工作環境，性能受到的負面影響極小。

另一方面，5G的興起要求電信設備供應商建立一個大規模生產且多廠供貨的彈性供應鏈。GaN技術從典型的III-V制造工藝和晶圓廠到量產方法的過渡期是關鍵。在碳化硅襯底上生長GaN的方法可能會受到襯底供應緊張的困擾，而硅基GaN可以通過合理的性能折衷來滿足這一需求。為了避免任何可能的材料供應問題，意法半導體決定，開發GaN使用硅襯底而不是碳化硅。

ST STPOWER產品組合助力5G發展

如果把整個基站視為一個系統，那么意法半導體的STPOWER（www.st.com/stpower）產品可以用于設計電源和功放兩個主要模塊。為了充分利用5G的技術優勢，設計人員必須依靠新的頻譜來滿足未來的數據容量需求，這意味著整合集成度更高的微波/毫米波收發器、可編程IC、高能效數據轉換器和高功率、低噪聲功率放大器（PA），使基站小型化。最后，這些5G基站必須集成大規模MIMO天線，實現可靠的網絡連接。其結果是，需要各種最新的電源來為5G基站子系統供電。隨著5G的部署，基站數量將會增加。舉例來說，從2019年到2022年，中國將為5G建設或重建超過200萬個基站。在發展過程中，未來幾年典型基站的峰值功耗將大大增加。如今，典型的2T2R（2發射器，2接收器）基站的峰值功耗為8 kW，峰值功耗在3年后將提高到14 kW，5年后增加到18 kW，這是由于在現有頻帶中應用了毫米波和新技術。

為符合最嚴格的能效要求，支持這一市場發展趨勢，意法半導體提供STPOWER產品組合，包括硅功率解決方案和SiC MOSFET和二極管，以及整流器和TRIAC晶閘管。關于功率放大器，意法半導體與射頻和電信應用領域的領先專業廠商MACOM合作，開發先進的專用的硅基GaN HEMT晶體管。在一個 5年期內，5G基礎設施投資規模有望大幅增長，功率放大器需求量將擴大32-64倍，這意味著放大器成本將降低一個量級。

小結

近期，高層頻繁點名新基建，5G基站的建設將迎來高峰，這給致力于5G發展的半導體廠商帶來機遇。意法半導體已經在供應為5G高效電源設計的功率晶體管，還將推出首批650 V功率GaN產品，在補充現有產品線的同時，該產品還能突破硅片的極限，大幅度提高能效。作為世界級供應商，意法半導體還提供650 V和1200 V的SiC MOSFET，為更多的用戶帶來寬帶隙材料的優勢。在SiC MOSFET中，意法半導體正在建立一個穩定的供應鏈，得益于瑞典Norstel AB并購案，完成了一次完全垂直的供應鏈整合。同時，硅襯底GaN射頻產品正在設計中，這將使意法半導體能夠最大程度地擴大產品組合。
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