第三代化合物半導體微波射頻“芯”專家

談起半導體，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）產業的半個多世紀繁榮。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）的第三代浪潮業已興起。本土IC 產業的弄潮兒早已在風口浪尖上激流勇進，為“中國芯”譜寫濃墨重彩的新篇章。

出于對第三代半導體發展狀況和趨勢的興趣，我關注到以發展GaN 射頻器件為方向，致力于第三代化合物半導體領域技術創新的泰新半導體有限公司，通過與其創始人之一鄭文濤博士進行交流，得到有關技術和市場的專家點評。

1   萬象更“芯”的化合物半導體市場

從第一代到第二、三代半導體材料特性的比較和應用領域如表1 所示。

表1 三代半導體材料特性的比較和應用領域

鄭文濤介紹說，隨著應用場景越來越多，突顯出硅基半導體的局限性，主要表現在自身性能無法在高溫、高頻、高壓環境中使用。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展方向，5G 通信技術和微波射頻創新需求適時地加速了這一進程。

方興未艾的5G 通信系統建設帶動了射頻芯片需求激增。采用大規模天線陣列的多進多出（Massive MIMO）技術大幅提高網絡容量和信號質量，但隨著天線由4T4R 通道向64T64R 甚至更高通道數演進，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，5G 組網采用小基站和超密度組網技術，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射頻芯片需求劇增。

圖1 天線由4T4R通道向64T64R演進

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71%；2020 年市場規模為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、提升用戶體驗、實現超低延時、超大規模接入等關鍵特性起著至關重要的作用，在未來5~10 年內，將是運營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，廣電已緊急啟動無線電視信號移頻工作，發射機面臨升級。千瓦級大功率PA、驅放等射頻器件未來兩年集中采購約為2 到3 億元，之后每年穩定采購2 000 萬元以上，10 年合計約5 億元。廣電5G 廣播網絡架構以移動蜂窩基站組網為主，廣播電視發射塔為輔，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 頻段進行補充，實現“低頻+ 中頻”的5G 精品網絡構建。由此可見，大功率GaN 的PA 芯片需求迫在眉睫。

雷達是GaN 微波射頻另一個具有重要潛力的市場，雖然軍用雷達仍是重頭戲，但民用雷達市場穩步增長，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、交通管制等領域，GaN“中國芯”有助于國產廠家迎頭趕上。

2   令人“芯”動的微波射頻芯片及模組

在巨大無線射頻市場規模的支撐下，中國的GaN射頻器件市場呈現旺盛態勢。前瞻產業研究院《中國氮化鎵（GaN）行業市場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57%，其中國防軍事與航天應用占比53%；無線基礎設施占比為36%。預計到2025 年底，達到200 億元以上將不在話下。

然而“缺芯”的困擾同樣出現在無線射頻行業，鄭文濤指出，在通信領域，美日廠商長期壟斷射頻市場，市場整體上高度集中，其中Broadcom、Skyworks、Murata、Qorvo 就占據了97% 的市場份額。國內射頻芯片廠商依然處于起步階段，市場話語權有限，產量遠遠無法滿足全球市場。在雷達領域，國外實施產品的出口限制越來越嚴苛，而國內以往依賴科研機構背景供貨廠商產能不足，且在定制開發、交付周期、服務質量、產品價格方面無法滿足市場需求。因此，國產化芯片替代的需求日益緊迫。

對于射頻芯片的需求，通信產品側重于高頻段、高速率、高線性，而雷達產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技術優勢，已經取得了豐碩的成果，目前已推出系列功率放大器、低噪聲放大器、射頻開關等產品，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，具有顯著優勢。

泰新的系列功率放大器包括4G/5G 基站、衛星通信、點對點通信、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專用、通用低噪聲放大器等；而射頻開關包括高頻率、高隔離度、低插入損耗射頻收發開關、天線開關等。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極為精密和復雜，只有具備專業系統應用經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化射頻芯片，泰新半導體憑借資深的專家人才優勢，提供品質穩定可靠的封裝功放管、專用功放模塊、發射和接收（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組件。對于大功率功放管，還有客戶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，就已經形成六大微波射頻芯片及模塊產品系列，合計百余個型號，鄭文濤對此頗為欣慰。他表示，研發芯片設計核心技術才是關鍵所在，不僅要實現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具有足夠的功力，才能充分掌握針對最先進GaN 材料工藝的毫米波芯片設計能力。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年12月期）