回顾移动通信从1G发展到5G的历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义，并且无线网络的上下行速度不断加快，通信设备的射频前端也在逐步演进。4G由于多模多频的需求，射频前端的复杂度相比2G／3G大幅增加，至于下一代移动通信技术，ITU和我国分别提出的5G关键能力中都明确了未来5G 100Mbps的用户体验速率以及10Gbps以上的峰值速率。为了实现无线网络的更大的带宽和更快的数据速率，将多个信道或分量载波组合到一个大数据管道中的载波聚合技术被引入。但相较于4G中最高支持5个20MHz的载波聚合，5G时代载波聚合的数量可能会高达32或者64。因此，5G更高的功率、高达100GHz的频率范围以及更高的效率的目标不仅让SAW滤波器在高频的5G时代局限性凸显，让传统LDMOS制程的功率放大器（PA）在5G毫米波时代也捉襟见肘。
众所周知，目前针对3G／HSPA和LTE基站市场的PA主要有基于硅的横向扩散金属氧化物半导体 （LDMOS）和砷化镓（GaAs）两种，但LDMOS PA的带宽会随着频率的增加而大幅减少，仅在不超过约3．5GHz的频率范围内有效，GaAs PA是目前市场主流，出货占比占9成以上。随着通讯频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的PA，GaN射频器件相比LDMOS和GaAs优势逐步突显。
MACOM无线产品中心资深总监成钢
MACOM无线产品中心资深总监成钢表示：“MACOM将在5G的支持下迎来令人振奋的机遇，这项技术将实现向基于阵列的天线转型，与前几代产品相比，不仅系统性能优势显著，5G系统的射频内容也会有所增加。决定系统性能的关键射频元件包括功率放大器、低噪声放大器和发射／接收开关。对于5G解决方案，功率放大器必须兼具高线性度和高效率。方案自然非可提供满足系统性能要求所需的增益、效率和功率输出的硅基氮化镓（GaN－on－Si） MMIC器件莫属。低噪声放大器显然需要优异的噪声系数，同时还必须具备高线性度和稳健性（针对输入信号）。开关必须能够处理高功率，具有极低的插入损耗以降低发送过程中的功率损耗和提高接收过程中的系统噪声系数，还要具备高线性度。理想的解决方案是基于单片PIN二极管的开关。最终，将通过强大的驱动力将这些功能集成到单个芯片或单个模块中。”
Qorvo亚太区FAE高级经理杨嘉
Qorvo亚太区FAE高级经理杨嘉表示：“从1G到5G， 极快增长的数据吞吐量推动着运营商对系统不断地升级， 随之而来的是对射频系统的工作频段， 带宽及效率越来越严苛的要求，LDMOS在高频段， 宽带应用及效率等方面越来越力不从心。而这些正是GaN器件的优势。目前5G的系统研发主要集中在＞2．3GHz频段及毫米波频段，随着工作频率的提高，GaN器件的优势会越发明显。”
GaN射频器优势突显 trapping效应与功耗问题需解决
既然GaN PA具备能处理 50GHz或以上的毫米波频率的优势，是否意味着LDMOS将被替代？杨嘉对此表示：“与之前的半导体工艺相比，GaN的优势在更高的功率密度及更高的截止频率。在5G高集成的Massive MIMO应用中，它可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。在毫米波应用上，GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。不过LDMOS会在一段时间内与GaN共存的，特别是针对低频应用，如2GHz以下的应用场景，LDMOS还有它存在的市场。” 成钢同样表示：“5G技术涵盖从低频（约几GHz）到高频（毫米波）的范围。目前有两种主流技术能够实现完整5G实施方案所需的高频性能：砷化镓和硅基氮化镓。与砷化镓相比，硅基氮化镓可实现优异的高频性能，主要体现在功率密度更高（因此器件更小）以及效率更高。很显然，在这些尺寸受限的应用中，随着技术不断发展，硅基氮化镓将在高频解决方案领域起主导作用。在低频领域，硅基氮化镓正在与LDMOS竞争，其中硅基氮化镓能够在量产时以同等成本结构提供优异的性能。“
需要指出的是，由于缺乏低成本GaN体衬底，GaN被外延生长在各种基底上，最常见的是碳化硅（SiC）和硅，Qorvo的GaN射频器件目前采用碳化硅基氮化镓（GaN－on－SiC）。杨嘉表示：“相对于硅衬底来说，碳化硅衬底具有更好的热传导特性，这使得在同样大小的封装里，基于碳化硅的GaN放大器可以输出更高的功率，从而使器件具备更好的可靠性。并且在相同输出功率的条件下，碳化硅衬底良好的热传导性可考虑进一步缩小封装尺寸，从而降低器件的整体成本。我个人更看好基于碳化硅的制造工艺，目前业界超过95％商用的GaN RF器件在采用此工艺。Qorvo目前采用的是基于碳化硅衬底的工艺。”
无论是采用GaN－on－Si还是GaN－on－SiC，GaN的优势都能够在5G应用中得到体现，但GaN是否会面临高压特性不理想的问题？杨嘉指出：“GaN工艺射频特性其实降低了功放管内外匹配的设计难度。我司的48V GaN25HV工艺射频特性已远高于常规LDMOS的特性，不存在高压特性的不理想的问题，GaN的工艺上的栅极负压特性，还需在应用中严格遵守上下电时序要求。GaN会存在trapping效应，这是工艺自身特性，需要在应用层面解决。”
除了trapping效应，成钢指出GaN器件的功耗挑战，他表示：“数十年来，MACOM一直致力于设计毫米波器件。采用硅基氮化镓技术不会改变开关或放大器的基本设计方法。就放大器而言，与基于砷化镓的设计相比，硅基氮化镓能够在更高的漏极电压下工作，可简化阻抗匹配过程。面临的挑战是器件的功耗。由于器件具有非常高的功率密度（有利于输出功率），因此还具有较高的功耗密度，为热管理带来了挑战。为了有效地设计，需要完整的电热模型。设计人员必须关注完整的解决方案（包括器件、封装和客户系统），以确保成功实现热管理。” 
