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面向 5G 通信基站用氮化镓基射频器件

（一）项目背景当前以硅、砷化镓为代表的第一和二代半导体接近其物理极限，以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体是当前国际竞争热点，也是我国发展自主核心半导体产业、实现换道超车的难得机遇。氮化镓（GaN）特别适合制作高频、高效、高温、高压的大功率微波器件，是下一代通信、雷达、制导等电子装备向更大功率、更高频率、更小体积和抗恶劣环境（高温抗辐照）方向发展的关键技术。目前氮化镓基射频器件已接近于商用，需解决从走出实验室到小量中试的最后“1 公里”，重点攻克其在可靠性工艺和量产稳定性的瓶颈。以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体是当前国际竞争热点，也是我国发展自主核心半导体产业、实现换道超车的难得机遇。半导体作为信息时代的“粮食”，将成为 5G 基建、特高压、城际高铁和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等“新基建”七大领域发展的支柱性产业。而氮化镓为代表的宽禁带半导体先进电子器件，凭借其高效、高压、高温等优势，将在“新基建”中大放异彩，可以弥补传统半导体器件的技术瓶颈，满足更高性能器件要求。（二）项目简介 5G 要求更高的数据传输速率，发射机的效率会出现指数级的下降。这种下降可以使用包络跟踪技术来修复，该技术已经在较新的 4G/LTE 基站以及蜂窝电话中采用。基站中的包络跟踪需要高速，高功率和高电压，这些只有使用 GaN 技术才能实现。诸如 GaN 助力运营商和基站 OEM 等实现了 5Gsub-6-GHz 和 mmWave 大规模 MIMO 的目标。 GaN 可以说为 5Gsub-6-GHz 大规模 MIMO 基站应用提供了众多优势：1、在 3.5GHz 及以上频率下表现良好，对比其他产品优势明显。2、GaN 的特性能转化为高输出功率，宽带宽和高效率。采用 DohertyPA 配置的 GaN 在 100W 输出功率下的平均效率达到 50%至 60%，明显降低了发射功耗。3、在高频和宽带宽下的效率意味着大规模 MIMO 系统可以更紧凑。4、可在较高的工作温度下可靠运行，这意味着它可以使用更小的散热器。根据 Strategy Analytics 的数据，预计 5G 移动连接将从 2019 年的 500 万增长到 2023 年的近 6 亿。所以需求还将不断上涨。根据Strategy Analytics的数据，预计5G移动连接将从2019年的500万增长到2023年的近6亿。所以需求还将不断上涨。 Efficient Power Conversion 的首席执行官兼联合创始人Alex Lidow 讨论5G时也说道：“基站中的包络跟踪需要高速，高功率和高电压，这些只有使用GaN技术才能实现。根据Yole Development公司发布的2018年度报告数据显示，随着全球整体数据流量的激增，我国5G产业将迎来大规模的需求增长。预计到2022年，我国5G基站规模将达到千亿市场，5G基站数量将达百万个。所以未来氮化镓基射频器件是5G通信基站收发端的核心。氮化镓基射频器件是华为和中兴发展 5G 通信产业的核心器件，西安电子科技大学氮化镓射频器件研究团队自 2016 年起就与华为西安研究所、中兴西安研究所等国内主流5G通信公司协同攻关开展氮化镓基射频器件的研究，目前承担的流片服务项目合计约 500 万元。 2017 年，西安电子科技大学与西安市高新区、西电电气集团等联合成立“陕西半导体先导技术中心”，中心致力于推动陕西第三代半导体产业发展，促进以氮化镓为代表的射频器件、功率器件等加速产业化，2019 年团队向陕西半导体先导技术中心转让专利 35 项，作价 2000 万元，双方正在联合推进搭建第三代半导体中试平台，平台将会立足西安，服务全国，提升氮化镓基射频器件量产工艺可靠性，实现相关技术成果转化。（三）关键技术本项目由西安电子科技大学作为技术攻关的主要单位，制定技术路线，保障国家重大科技专项“高效 GaN 微波功率器件及可靠性研究”和“5G 移动通信 GaN 芯片可靠性机理研究”研究，与华为和中兴联合开展工程合作项目实施，加快解决器件工艺可靠性工程问题，重点开展氮化镓微波功率与太赫兹器件工程技术研究，突破高性能低缺陷外延材料生长、高效率高可靠氮化镓微波功率器件工艺技术等关键瓶颈问题，协助规模量产高效率 S-Ku 波段典型氮化镓功率器件和模块、5G 基站核心射频模块。

西安电子科技大学 2023-07-12