2016年，MACOM宣布戰略性放棄SiC基氮化鎵產品，將戰略方向轉移至研發基于硅襯底的高功率氮化鎵(GaN)技術。3年過去了，MACOM無線產品中心資深總監成鋼日前表示，硅基氮化鎵(GaN-on-Si)相比于橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)技術的性能優勢在4G LTE基站中已經得到了充分驗證，將是最適合5G無線基礎設施的實際促進技術。未來十年，氮化鎵市場規模有望突破10億美元。

MACOM無線產品中心資深總監成鋼

硅基氮化鎵的市場潛力

十年來，LDMOS一直是射頻半導體市場的主導技術。但如今，這種平衡很有可能由于硅基氮化鎵(GaN-on-Si)技術的出現而被打破。

硅基氮化鎵器件工藝能量密度高、可靠性高，其原始功率密度比當前LDMOS技術的原始功率密度高百分之十。晶圓直徑可以從目前的8英寸提升至12英寸，晶圓長度可以拉長至2米。同時，硅基氮化鎵器件還具有擊穿電壓高、導通電阻低、開關速度快、零反向恢復電荷、體積小和能耗低、抗輻射等優勢。理論上相同擊穿電壓與導通電阻下的芯片面積僅為硅的千分之一，目前能做到十分之一。

與LDMOS相比，硅基氮化鎵可提供超過70%的功率效率，將每單位面積的功率提高4-6倍，并且可擴展至高頻率。這意味著，氮化鎵裸片尺寸將只有LDMOS裸片尺寸的1/6至1/4。同時，綜合測試數據已證實，硅基氮化鎵符合嚴格的可靠性要求，其射頻性能和可靠性可媲美甚至超越昂貴的碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC)替代技術。

成鋼認為，這種高效率優勢對于即將商用的5G基站系統來說尤為重要，尤其適用于3D-MIMO天線系統。

眾所周知，由于大規模MIMO天線配置的密度很大(單個5G基站中可擴展超過256個發射和接收元件)，可用的PCB空間極為珍貴，特別是在較高頻率下。為了應對這一挑戰，目前業界正在用多功能MMIC取代5G基站設計中的分立IC和單功能MMIC。

“越來越多的客戶開始傾向于在設計中采用高集成度射頻前端模塊搭配天線的方式。也就是說，在這樣一個獨立的射頻單元中，會包含發射/接收通道、無源隔離器、開關、電源管理IC等多個器件，從而大幅提升效率，降低部署成本。”他說。

采用硅基底的另外一個優勢，則是能夠幫助用戶在單芯片上同質集成氮化鎵器件和CMOS器件，這為多功能數字輔助射頻MMIC集成片上數字控制和校準以及片上配電網絡等奠定了基礎。

而在5G小基站的布局方面，隨著國內3.5GHz/4.9GHz頻段的提出，小基站要想承擔起熱點覆蓋的職責，提高單機發射功率勢在必行。成鋼表示，對于具備1W以上功率放大器的小基站來說，其峰值功率將達到10-15瓦，這一數值對于砷化鎵器件來說已經達到了極致，但對于功率半導體器件而言則完全沒有問題。考慮到相比傳統蜂窩基站，小基站實現全覆蓋的時間節點會晚1-3年，所以MACOM的策略是先向用戶提供方案進行驗證，時機一旦成熟，便可大規模量產出貨。

MACOM前進到哪里？

在MACOM的產品路線圖上，硅基氮化鎵產品已經發展到第四代。例如全新的MAMG-100227-010 PA模塊利用MACOM的高性能硅基氮化鎵實現225-2600 MHz極寬頻帶、10W連續波輸出功率、高達40%的典型功率附加效率(PAE)、22dB典型功率增益，以及高達36V的工作電壓(典型值28V)。采用帶有集成鍍金銅散熱器的14x18mm緊湊型氣穴層壓封裝，可以避免PA架構不匹配的情況，因此無需額外的組件和PCB空間。此外，其頂端和底端安裝可配置性有助于提升PA模塊的安裝靈活性和散熱敏捷性。

成鋼說，就半導體器件層面而言，第四代硅基氮化鎵(Gen4 GaN)的定位非常明確，就是要作為LDMOS的替代者來服務于5G基站的部署，尤其是對于3.5GHz及以上頻率。如果加以適當利用，它與LDMOS器件之間的頻效差量能夠在系統層面上對商業5G應用產生巨大影響，特別是對于多封裝層需要專門解決高溫問題的解決方案更是如此。

此外，基于氮化鎵的功放與基于LDMOS的器件相比，支持的帶寬更寬，因而減少了覆蓋5G基站內主要手機頻段所需的部件數量。運營商可借助第四代氮化鎵技術實現高帶寬和高頻率，進而能夠靈活地實現更廣泛的載波聚合頻帶。

按照MACOM方面的估算，未來，5G基站的部署規模會是當前4G基站的1.5-2倍，單基站射頻通道數量也會由當前的4/8通道上升至64通道以上，在這種倍乘關系下，射頻器件的需求量將會達到目前的60倍以上。因此，能否在出貨量方面趕上當前仍然占據優勢的LDMOS器件，是硅基氮化鎵面臨的挑戰之一。

為此，2018年2月，MACOM與ST就硅基氮化鎵晶圓的開發達成一項協議，即由ST負責生產，供MACOM在各種射頻應用中使用。在擴大MACOM供應來源的同時，該協議還賦予ST針對手機、無線基站和相關商業電信基礎設施應用以外的射頻市場生產及銷售其自己的硅基氮化鎵產品的權利。

通過這項協議，MACOM有望提高硅晶圓生產能力、改進成本結構以取代現有的硅LDMOS技術，還可加速硅基氮化鎵在主流市場的普及。ST和MACOM已合作多年，一直在ST的CMOS晶圓廠生產硅基氮化鎵。按照目前的計劃，ST的樣片生產已經于2018年開始。

除基站外，MACOM還準備將硅基氮化鎵產品推向微波爐、咖啡加熱機、汽車點火器、射頻照明(RF lighting)等射頻能量(RF Energy)市場。例如在微波爐中取代磁控管，MACOM目前已經可以利用該芯片提供300瓦的連續功率輸出，并使得加熱部分做到信用卡大小。成鋼表示。此外，在汽車點火器中，采用硅基氮化鎵替代其中的LDMOS，將可以節約15%的能量；在醫學中利用微波進行手術，可對患者腫瘤進行精準的射頻消融。