第三代化合物半导体微波射频“芯”专家

谈起半导体，人们首先想到的就是硅（Si），正是这种来源于沙子的超纯净的硅片造就了集成电路（IC）产业的半个多世纪繁荣。然而，这还只是第一代半导体材料的辉煌；目前，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代潮流仍在激荡，而基于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的第三代浪潮业已兴起。本土IC 产业的弄潮儿早已在风口浪尖上激流勇进，为“中国芯”谱写浓墨重彩的新篇章。

出于对第三代半导体发展状况和趋势的兴趣，我关注到以发展GaN 射频器件为方向，致力于第三代化合物半导体领域技术创新的泰新半导体有限公司，通过与其创始人之一郑文涛博士进行交流，得到有关技术和市场的专家点评。

1   万象更“芯”的化合物半导体市场

从第一代到第二、三代半导体材料特性的比较和应用领域如表1 所示。

表1 三代半导体材料特性的比较和应用领域

郑文涛介绍说，随着应用场景越来越多，突显出硅基半导体的局限性，主要表现在自身性能无法在高温、高频、高压环境中使用。而以GaAs 和GaN 为代表的化合物半导体材料脱颖而出，使新型器件市场空间得以拓展。GaN 作为第三代化合物半导体的佼佼者，以更高功率密度、更好热传导性、更高输出功率、适用更高频率等特性成为公认发展方向，5G 通信技术和微波射频创新需求适时地加速了这一进程。

方兴未艾的5G 通信系统建设带动了射频芯片需求激增。采用大规模天线阵列的多进多出（Massive MIMO）技术大幅提高网络容量和信号质量，但随着天线由4T4R 通道向64T64R 甚至更高通道数演进，如图1所示，基站单元内射频芯片数量正大幅提升。与此同时，5G 组网采用小基站和超密度组网技术，使基站数量大幅提升。正是基站数量和基站单元内射频芯片数量的增加推动射频芯片需求剧增。

图1 天线由4T4R通道向64T64R演进

根据权威机构数据显示， 中国5G 建设元年是2019 年，当年基站端GaN 功率放大器（PA）同比增长71%；2020 年市场规模为32.7 亿元人民币，同比增速为341%；预计到2023 年中国基站GaN 功率放大器市场规模将达到121.7 亿元。由于5G 小基站对5G 信号室内覆盖、提升用户体验、实现超低延时、超大规模接入等关键特性起着至关重要的作用，在未来5~10 年内，将是运营商部署包含分布式基站、微基站、皮基站等小型化5G 基站的建设周期。可以预测，2025 年仅中国四大电信运营商集采的小基站4G/5G 射频器件将达到100亿元的规模。

为5G 建设铺路，广电已紧急启动无线电视信号移频工作，发射机面临升级。千瓦级大功率PA、驱放等射频器件未来两年集中采购约为2 到3 亿元，之后每年稳定采购2 000 万元以上，10 年合计约5 亿元。广电5G 广播网络架构以移动蜂窝基站组网为主，广播电视发射塔为辅，将兴建700 MHz 频段5G 基站48 万站，并借助于4.9 GHz、（3.3~3.4）GHz 频段进行补充，实现“低频+ 中频”的5G 精品网络构建。由此可见，大功率GaN 的PA 芯片需求迫在眉睫。

雷达是GaN 微波射频另一个具有重要潜力的市场，虽然军用雷达仍是重头戏，但民用雷达市场稳步增长，预计2026 年规模将达154 亿美元左右，涵盖气象勘测、遥感测绘、导航防撞、交通管制等领域，GaN“中国芯”有助于国产厂家迎头赶上。

2   令人“芯”动的微波射频芯片及模组

在巨大无线射频市场规模的支撑下，中国的GaN射频器件市场呈现旺盛态势。前瞻产业研究院《中国氮化镓（GaN）行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》显示，2020 年达到66 亿元人民币，同比增长57%，其中国防军事与航天应用占比53%；无线基础设施占比为36%。预计到2025 年底，达到200 亿元以上将不在话下。

然而“缺芯”的困扰同样出现在无线射频行业，郑文涛指出，在通信领域，美日厂商长期垄断射频市场，市场整体上高度集中，其中Broadcom、Skyworks、Murata、Qorvo 就占据了97% 的市场份额。国内射频芯片厂商依然处于起步阶段，市场话语权有限，产量远远无法满足全球市场。在雷达领域，国外实施产品的出口限制越来越严苛，而国内以往依赖科研机构背景供货厂商产能不足，且在定制开发、交付周期、服务质量、产品价格方面无法满足市场需求。因此，国产化芯片替代的需求日益紧迫。

对于射频芯片的需求，通信产品侧重于高频段、高速率、高线性，而雷达产品侧重于宽带和大功率，而这正是GaN/GaAs 微波毫米波芯片可以胜任的强项。泰新半导体凭借先发技术优势，已经取得了丰硕的成果，目前已推出系列功率放大器、低噪声放大器、射频开关等产品，如图2 所示。其中，大功率、高频段GaN 芯片性能指标堪为国内标杆，具有显著优势。

泰新的系列功率放大器包括4G/5G 基站、卫星通信、点对点通信、雷达、电子对抗用微波毫米波功率放大器等；低噪声放大器包括各类专用、通用低噪声放大器等；而射频开关包括高频率、高隔离度、低插入损耗射频收发开关、天线开关等。还有其他单片微波集成电路（MMIC），包括限幅器、Gain Block、衰减器等。

由于射频芯片所涉及的无线性能指标极为精密和复杂，只有具备专业系统应用经验的资深工程师才有可能设计并完善。为更广泛和有效地推广国产化射频芯片，泰新半导体凭借资深的专家人才优势，提供品质稳定可靠的封装功放管、专用功放模块、发射和接收（T/R）模块组件，如图3 所示。

系列封装功放管包括金属封装、陶瓷封装以及塑封多种封装形式的（内匹配）功放管；专用功放模块包括大功率、小型化、高集成化专用射频功放模组；而T/R组件则包括大功率、高性能微波毫米波射频收发组件。对于大功率功放管，还有客户项目定制高端射频模块、组件，都有量身定制的必要，以获得更大的附加价值。

3   心“芯”相印的高端芯片全流程能力

泰新半导体成立仅两年，就已经形成六大微波射频芯片及模块产品系列，合计百余个型号，郑文涛对此颇为欣慰。他表示，研发芯片设计核心技术才是关键所在，不仅要实现GaN 放大器单管芯设计，还要对多管芯极间匹配、多级放大管设计、DPD 数字预失真等核心技术具有足够的功力，才能充分掌握针对最先进GaN 材料工艺的毫米波芯片设计能力。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年12月期）