氮化镓在5G应用中有哪些技术突破？记者专访国家科学技术进步一等奖项目完成人、三安光电副总经理林志东

　　全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会在北京举行。由西安电子科技大学、中兴通讯股份有限公司、中国电子科技集团公司第十三研究所、厦门市三安集成电路有限公司等共同完成的“高能效超宽带氮化镓功率放大器关键技术及在5G通信产业化应用”获得2023年度国家科学技术进步奖一等奖。《中国电子报》记者第一时间专访了项目主要完成人之一、三安光电副总经理林志东，了解该项目推进背后的故事，以及氮化镓材料器件的技术突破情况及未来市场前景。
　　《中国电子报》：获得2023年度国家科学技术进步奖一等奖的这一项目——“高能效超宽带氮化镓功率放大器关键技术及在5G通信产业化应用”实现了哪些技术突破？
　　林志东：相较于4G通信，5G通信对上传下载传输速度的要求更高、对数据传输量的要求更大，相应地就要求射频功率放大器具有更高的带宽。5G基站的耗能更高，便要求器件具有更高能效表现。同时出于对通信质量和器件高可靠性的考虑，需要射频功率放大器具有更高线性度。在此之前，采用硅和砷化镓材料的功率放大器难以满足上述需求，需要研制新的器件。
　　“高能效”“超宽带”是本次氮化镓射频功率放大器技术最关键突破点和亮点。“高能效”体现了芯片对电能利用转化的效率高，大幅节省通信基站用电量；“超宽带”体现了芯片在信号传输信道带宽大，大大提升工作带宽和数据传输速率。氮化镓（GaN）功率放大器作为5G移动通信设备基站的核心，将载有信息的信号进行功率放大后送到天线上发射出去，是整个基站射频模组中功耗最大、价值最高的元器件，决定了基站的通信质量、功耗和成本。
　　该项目解决了高品质氮化镓射频功放芯片在5G通信产业化应用方面的技术难题，使得GaN器件在5G移动基站实现规模化应用，支撑我国通讯基站用GaN器件处于国际领先地位。
　　《中国电子报》：该成果是如何实现研发突破，是否已经取得经济效益？
　　林志东：该项目成果的研发及市场应用与我国5G的规划与商业化过程相伴随。十年前，在5G规划初期，我们便开始策划研发适用于5G的功率放大器。该成果初期的技术原型是西安电子科技大学完成的氮化镓功率器件科研成果。我们与西安电子科技大学达成技术合作，开始推进基于该科研成果的产业化工作。在2015年，氮化镓功率放大器完成了实验室研发。三安集成为该产品的工程化和产业化建立了自主可控的工艺制造平台，并在2019年实现小批量量产。经过与下游合作伙伴的通力合作，该功率放大器在2021年开始实现大批量应用。该成果之所以带来了非常可观的经济效益，非常重要的原因是踩准了研发和产业化节点，与5G商用进程完美契合。
　　从该技术成果的获奖单位组成也能看得出，团队既包括西安电子科技大学这种学术研究机构，也包括中兴通讯等基站通信系统应用厂家，我们三安集成提供的是制造能力。此次项目获得2023年度国家科学技术进步奖一等奖，是从产学研融合到产业界上下游配合、通力合作的结果。
　　《中国电子报》：该项目推进过程中，遇到过什么样的困难，您印象最深刻的一次技术突破是什么？
　　林志东：过程中印象最深刻的是良率和可靠性技术指标的提升。产品能不能获得市场认可、能不能获得规模效应，良率非常重要。氮化镓射频功率放大器的制备需要经过诸多流程，如果材料的制备过程出现瑕疵，或者工艺流程控制不严格，加上产品户外使用过程中环境条件的变化，都有可能导致产品失效。
　　为了解决这一问题，一方面我们要结合客户的使用环境、半导体理论研究、器件理论研究和制造过程监控，多方协同解决该问题。另一方面，三安集成从母公司三安光电抽调了大量骨干人员，加入良率技术工艺提升的专题项目，以确保该技术能够满足我国5G产业化的时间要求。最终，我们在12个月的时间里，将氮化镓射频芯片良率从30%提升到85%以上，实现了月产千万只通信射频芯片的稳定制造和供货，截至目前累计销售额超过20亿元。
　　《中国电子报》：6G通信正处于前期部署阶段。6G又为射频功率放大器提出了哪些新要求？
　　林志东：相较于5G，6G通信对信号覆盖面的要求更高，需要实现地球表面的无死角覆盖；汽车无人驾驶的发展，也将对低时延实时通信提出更高的带宽要求，因此将需要电子器件承载更高的频率。例如，6G通信将从5G采用的2.6~4.9GHz频段拓展到毫米波通信。与之相对应，我们制造的器件线宽将从0.45微米压缩至0.15微米，也就是需要研制更窄线宽的器件。为了满足上述要求，一方面要继续提升对原材料外延生长的要求，降低其缺陷密度；另一方面要投资新的产线设备，为工艺提升做准备。
　　但是6G部署并不是要把原有基站推倒重建，而是在现有基站基础上做补充，对现有频段做补充。因此，如果要部署6G，从器件层面来看，并不是替代原先已经在基站上采用的产品，而是在此基础上新增产品，从而开拓新的市场增量。