關于GaN和LDMOS的關系 和未來的發展

在射頻和功率應用中，氮化鎵（GaN）技術正在變得日益盛行。

GaN器件分為射頻器件和電力電子器件，射頻器件產品包括PA、 LNA、開關器、 MMIC等，面向基站衛星、雷達等市場；電力電子器件產品包括SBD、常關型FET、常開型FET、級聯FET等產品，面向無線充電、電源開關、包絡跟蹤、逆變器、變流器等市場。

而按工藝分，GaN器件則分為HEMT、HBT射頻工藝和SBD、Power FET電力電子器件工藝兩大類。

今天，幾乎沒有人會質疑GaN技術對射頻/微波產業的影響。但隨著GaN受到如此多的關注，傳統高壓應用的橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）技術會情何以堪？LDMOS是否會被排擠到一邊而無人問津呢？

在回答這個問題之前，我們先來看一看射頻應用的主要工藝技術。

目前，射頻市場主要有三種工藝：GaAs，基于Si的LDMOS，以及GaN 工藝。GaAs器件的缺點是器件功率較低，通常低于50W。LDMOS器件的缺點是工作頻率存在極限，最高有效頻率在3GHz以下。GaN則彌補了GaAs和Si基LDMOS這兩種傳統技術的缺陷，在體現GaAs高頻性能的同時，結合了Si基LDMOS的功率處理能力。

在射頻PA市場，LDMOS PA帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約3.5GHz 的頻率范圍內有效，采用0.25微米工藝的GaN器件頻率可以達到其4倍，帶寬可增加20%，功率密度可達 6~8 W/mm（LDMOS 為 1~2W/mm），且無故障工作時間可達 100 萬小時，更耐用，綜合性能優勢明顯。

5G帶動GaN崛起

傳統上，LDMOS技術在無線基礎設施領域占主導地位，但這種情況是否正在發生變化？這個問題的答案是肯定的。

由于5G需要大規模MIMO和Sub-6GHz部署，需要使用毫米波（mmWave）頻譜。而這將要面對一系列的挑戰，具體就不在這里贅述了。

GaN技術可以在sub-6GHz 5G應用中發揮重要作用，有助于實現更高數據速率等目標。高輸出功率、線性度和功耗要求正在推動基站和網絡OEM部署的PA從使用LDMOS技術轉換到GaN。GaN為5G sub-6GHz大規模MIMO基站應用提供了多種優勢：

1、GaN在3.5GHz及以上頻率下表現良好，而LDMOS在這些高頻下受到挑戰。

2、GaN具有高擊穿電壓，高電流密度，高過渡頻率，低導通電阻和低寄生電容。這些特性可轉化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。

3、采用Doherty PA配置的GaN在100 W輸出功率下的平均效率達到50％~60％，顯著降低了發射功耗。

4、GaN PA的高功率密度可實現需要較少印刷電路板（PCB）空間的小尺寸。

5、在Doherty PA配置中使用GaN允許使用四方扁平無引線（QFN）塑料封裝而不是昂貴的陶瓷封裝。

6、GaN在高頻和寬帶寬下的效率意味著大規模MIMO系統可以更緊湊。GaN可在較高的工作溫度下可靠運行，這意味著它可以使用更小的散熱器。這樣可以實現更緊湊的外形。

構建RF前端（RFFE）以支持這些新的sub-6GHz 5G應用將是一項挑戰。RFFE對系統的功率輸出、選擇性和功耗至關重要。復雜性和更高的頻率范圍推動了對RFFE集成、尺寸減小、更低功耗、高輸出功率、更寬帶寬、改善線性度和增加接收器靈敏度的需求。此外，收發器、RFFE和天線之間的耦合要求更嚴格。

5G sub-6GHz RFFE的一些目標，以及GaN PA如何幫助實現這些目標呢？具體包括如下：

1、更高的頻率和更高的帶寬： 5G使用比4G更高的頻率，并且需要更寬的分量載波帶寬（高達100 MHz）。GaN-on-silicon-carbide（GaN-on-SiC）Doherty PA在這些頻率下實現比LDMOS更寬的帶寬和更高的功率附加效率（PAE）。GaN器件的更高效率，更高輸出阻抗和更低寄生電容允許更容易的寬帶匹配和擴展到非常高的輸出功率。

2、在更高數據速率下的高功率效率： GaN具有軟壓縮特性，使其更容易預失真和線性化。因此，它更容易用于數字預失真（DPD）高效應用。GaN能夠在多個蜂窩頻段上運行，幫助網絡運營商部署載波聚合以增加頻譜并創建更大的數據管道以增加網絡容量。

3、最大限度地降低系統功耗：我們如何滿足5G的高數據率要求？我們需要更多基礎設施，例如數據中心，服務器和小型蜂窩。這意味著網絡功耗的整體增加，從而推動了對系統效率和整體功率節省的需求，這似乎很難。同樣，GaN可以通過提供高輸出功率以及提高基站效率來提供解決方案。

下圖顯示了一個示例性sub-6GHz RFFE的框圖，該RFFE使用了Doherty PA設計來實現高效率。

在新產品方面，2018 年12月， Qorvo發布了行業首款28GHz的GaN前端模塊QPF4001， 其在單個 MMIC 中集成了高線性度 LNA、低損耗發射/接收開關和高增益、高效率多級PA。

針對5G基站架構中間隔28 GHz 的相控陣元件，對緊湊型的5x4毫米氣腔層表貼封裝進行了優化。據悉，該模塊采用了高效率的0.15微米GaN-on-SiC技術。

LDMOS依然有優勢

那么，行業對GaN的重視，是否意味著LDMOS不再具有應用前景了呢？事實似乎并非如此，因為LDMOS仍然可以在其它應用中尋找樂園。當然，選擇合適的技術取決于手頭的具體應用，而在很多情況下，LDMOS仍然是可行的方案。

以雷達應用為例，在選擇工藝時必須考慮不同晶體管技術的優缺點。而對于大功率應用，關鍵是要根據實際應用要求來決定了使用的工藝技術，而LDMOS就是這些技術之一。

高功率放大器（HPA）通常用于國防、航空航天和氣象雷達等，從早期的分立或集成RF功率晶體管開始，一直到現在，已經有好幾種有源器件半導體技術用于放大脈沖和連續波（CW）信號，從HF / VHF / UHF到L-，S-，C-和X-波段的頻率。

而用于RF /微波HPA的晶體管包括傳統的硅雙極和硅VDMOS等功率晶體管，以及更新近的LDMOS和氮化鎵等技術，另外還有碳化硅（SiC或GaN-on-SiC）高電子遷移率晶體管（HEMT）。根據頻率、帶寬和其他要求，每種晶體管技術都可以在輸出功率、增益和性能方面提供各自的性能優勢。

其中，LDMOS是一種比雙極晶體管更新的技術，廣泛應用于高線性通信以及寬帶CW放大器，也是L波段脈沖應用的絕佳選擇。

LDMOS非常適合長脈沖和高占空比應用，因為它具有非常低的每瓦特熱阻，這也提升了其出色的VSWR耐受特性。然而，與雙極和GaN HEMT功率管相比，LDMOS的最大不足之處就是功率效率較差。

但是，與LDMOS相比，GaN HEMT的一個最大缺點就是：它是耗盡型器件，這意味著它不僅需要電壓供應，還必須在漏極電壓之前施加柵極電壓。

選擇正確的晶體管技術

應該根據實際應用的要求，例如波形類型、頻率、帶寬和輸出功率水平等來選定功率放大器所需的類型。

如在S波段及以上，SIC基的GaN HEMT真的是唯一選擇，而介于兩者之間的話，主要挑戰就是平衡成本與性能，這方面做起來很難。下圖總結了三種晶體管的優缺點，以及在雷達應用中選擇時的考量因素。

圖：雷達應用中射頻功率晶體管的比較及選擇

雖然GaN來勢洶洶，但LDMOS仍然有強勁的應用需求，而相應的新產品也在不斷涌現，如恩智浦的MRFX系列高功率產品就是其中之一，MRFX系列基于65-LDMOS技術，該公司稱該技術具有許多優勢。

結語

LDMOS要“死”了嗎？答案很響亮：“不”。雖然受到了以GaN為代表的新技術的挑戰與沖擊，使得LDMOS可能沒有它曾經擁有的輝煌了，但在可預見的未來，該技術仍然會存活下去，而且還會活得很好。