相较目前主流的硅晶圆（Si），第三代半导体材料 SiC 与 GaN（氮化镓）具备耐高电压特色，并有耐高温与适合在高频环境下优势，其可使芯片面积大幅减少，并简化周边电路设计，达成减少模组、系统周边零组件及冷却系统体积目标，GaN 应用范围包括射频、半导体照明、激光器等领域。
现行 GaN 功率元件以 GaN-on-SiC 及 GaN-on-Si 两种晶圆进行制造，其中 GaN-on-SiC 强调适合应用在高温、高频的操作环境，因此在散热性能具优势，其以 5G 基地台应用最多，预期 SiC 基板未来在 5G 商用带动下，具有庞大市场商机。
5G 高频特性，使 GaN 技术有伸展空间
目前基地台用功率放大器（Power Amplifier，PA）主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，LDMOS）技术，不过 LDMOS 技术仅适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。
由于 LDMOS 功率放大器的带宽会随着频率增加而大幅减少，运用于 3.5GHz 频段的 LDMOS 制程已接近限制，性能开始出现下滑，在考虑 5G 商用频段朝更高频段发展下，过去 LDMOS 将逐渐难以符合性能要求，因此第三代半导体材料 GaN 技术崛起；由于 GaN 技术支援更高资料容量之多资料传输，同时搭配 5G 高速网络，不论在带宽、性能、容量、成本间可做出最佳成效。
换言之，GaN 优势在于更高功率密度及更高截止频率（Cutoff Frequency，输出讯号功率超出或低于传导频率时输出讯号功率的频率），尤其在 5G 多输入多输出（Massive MIMO）应用中，可实现高整合性解决方案，例如模组化射频前端元件，以毫米波（Millimeter Wave，mmWave）应用为例，GaN 高功率密度特性可有效减少收发通道数及尺寸，实现高性能目标，然而短期 LDMOS 会与 GaN 共存，主要原因在于低频应用仍会采用 LDMOS，例如 2GHz 以下应用领域。
5G 基地台的功率放大器将以砷化镓与 GaN 制程为主
从 Qorvo 产品应用来看，采用 GaN 技术将天线阵列功耗降低 40%，透过整合式多通道模组、3～6GHz 及 28/39GHz 频段在射频前端产品的布局，更加强调高性能、低功耗、高整合度、高易用性等目标达成。
▲ GaN 在毫米波 5G 基础设施优势。（Source：Qorvo，2018.11）
其中 GaN 可达 LDMOS 原始功率密度 4 倍，每单位面积功率提高 4～6 倍，即在相同发射功率规格下，GaN 裸片尺寸为 LDMOS 裸片尺寸的六分之一至四分之一。由于 GaN 具有更高功率密度特性，能实现更小元件封装，满足 Massive MIMO 和主动天线单元（Active Antenna Unit，AAU）技术下射频前端高度整合需求。
目前 GaN 运用以 5G 基础设施（如基地台）为主，手机较难采用 GaN 技术，主要挑战包括：1. GaN 成本高；2. GaN 供电电压高；较不符合手机需求，不过若未来透过改进 GaN 射频元件特性，仍有可能应用于手机，例如加入新的绝缘介质与沟道材料，使其适应低电压工作环境。无论如何，GaN 已成为高频、大功耗应用技术首选，包括需高功率水准的传输讯号或长距离应用，例如基地台收发器、雷达、卫星通讯等。
（首图来源：shutterstock）
