面对第三代半导体材料，你准备好了么？_专栏

近年来随着5G标准愈发明细，通讯基站所使用的第二代半导体材料无法满足更高传输效率、更大输出功能、更强更稳定的散热、更少电阻、更小体积等诸多需求。

例如，第二代半导体材料砷化镓功率放大器和互补式金属氧化物半导体功率放大器（CMOS PA），其中又以GaAs PA为主流，但随着5G的到来，砷化镓器件将无法满足在如此高的频率下保持高集成度。而近年来宽禁带与超宽禁带的第三代半导体越来越得到重视，是制造通讯系统器件的优良材料。

近日随着中国5G商用牌照的颁发，各大运营商也将会进行5G基础设施大范围部署。第三代半导体器件，例如GaN器件的数量也将会以大于50%的速度爆发性增长。借着5G发展的机遇，第三代半导体器件的市场将会逐渐扩大，有望发展为市场的中流砥柱。

一、什么是第三代半导体

半导体产业发展至今经历了三个阶段：

第一代半导体材料以硅为代表；第二代半导体材料砷化镓也已经广泛应用，而第三代半导体是指以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、金刚石、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料。

和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。

从5G移动通讯技术的发展和需求来讲，第三代半导体尤其是氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为首的毫米波器件和微波器件都是满足5G更高频段，更高功率等应用的理想选择。

和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有宽的禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2ev），也称为高温半导体材料。

二、5G中第三代半导体材料应用

根据3GPP 38.101协议的规定，5G NR主要使用两个频段：FR1和FR2，其中FR1 (450MHz-6GHz) ，即通常所说的5G毫米波频段。FR2（24.25GHz-52.6GHz），即通常所说的5G毫米波频段。

对于毫米波的拓展是5G通讯系统目前人们最关注也是难点最大的部分。根据上文所叙第二代半导体材料无法满足在毫米波频段更高传输效率、更大输出功能、更强更稳定的散热、更少电阻、更小体积等诸多需求。

此外基站射频收发单元阵列中所需的射频器件数量大为增加，基站密度和基站数量也会大为增加，因此相比3G、4G时代，5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加，因此成本的控制非常关键。

而第三代半导体材料，以氮化镓（GaN）为例，其高功率密度、高效率、宽带等特性极其适用于5G基站应用。但是过去由于毫米波器件/芯片成本过高，一直用于军事领域而无法大规模商用。

最近几年，通过使用SiGe、GaAS、GaN等材料并结合新的生产工艺，工作于毫米波段的芯片上已经集成了小到几十甚至几纳米的晶体管，大大降低了成本，GaN等第三代半导体材料的市场空间也随之变得巨大，为毫米波的大规模商用提供了可能。

根据预测，2017-2023年GaN RF器件复合增长率23%，基站和防务将成为GaN RF器件最重要的应用。2019年，基站端GaN放大器同比增长达 71.4%。2020年，基站端 GaN 放大器市场规模预计达 32.7 亿元，同比增长 340.8%；预计到2023年基站端 GaN 放大器市场规模达121.7亿元。

三、面对革新,你准备好了么？

由于 5G 毫米波和超宽带功率放大器还处于起步阶段，为了验证和确保第三代半导体材料的器件，例如氮化镓（GaN）功放能够满足 5G 无线传输的要求，无论是器件厂商还是基站系统厂商都需要在调试和最终系统测试阶段，对产品进行大量射频参数测试，主要包括两类：

第一类，系统指标测试：
是根据无线通信系统标准针对 5G 宽带调制信号所要求的矢量误差 EVM 和邻道泄漏比 ACLR 等。

第二类，传统器件参数：
例如 PA 自身的器件参数，包括输出功率，增益，噪声系数和 S 参数/X 参数等。

第一类
器件参数测试+On Wafer测试：
毫米波器件包括：PA、混频器、IQ器件等多种器件，正对测试需求也不尽相同，例如S参数、增益压缩和谐波杂散等，在此小编也为大家总结如下。

针对于上述多种器件和测量项目的需求，Keysight提供性能强大的高性能网络分析仪PNA-X，满足射频全参数测试。

以GaN PA功率放大器测试为例，下图展示了对于PA功放，PNA-X 单台仪表代替传统的网络仪+信号源+频谱仪+功率计多台仪器，单次链接，多次测量，完成射频全参数测试。

另外在针对On-Wafer测试，例如对于PA的On-Wafer测试针对于种种测试需求PNA-X也可以一台解决：

第二类
系统指标测试：
针对 5G 毫米波和超宽带 PA 的 EVM 测试与传统的 3G/4G 有很大不同，主要原因是毫米波和超宽带条件对仪表和附件所构成的测试平台的要求大大提高，由测试平台所引入的失真和误差会严重影响最终的测试结果。测试平台本身必须具备宽带校正，以确保在测试 PA 之前仪表和所有附件所引入的失真和误差达到最小。

例如在毫米波超宽带 PA 测试中，发现测试附件会产生影响，比如毫米波频段使用的线缆和接头，相对于 6GHz 以下的低频段，一般存在更大的线性失真和不平坦性，如果是仪表内置校正方式，也很难应对，但是现场外部校正方式就可以把它们包含在校正数据里面，去除这些部分的影响。
是德科技 5G 毫米波和超宽带测试平台