射頻硅基氮化鎵：兩個(gè)世界的最佳選擇

當(dāng)世界繼續(xù)努力追求更高速的連接，并要求低延遲和高可靠性時(shí)，信息通信技術(shù)的能耗繼續(xù)飆升。這些市場(chǎng)需求不僅將5G帶到許多關(guān)鍵應(yīng)用上，還對(duì)能源效率和性能提出了限制。5G網(wǎng)絡(luò)性能目標(biāo)對(duì)基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件提出了一系列新的要求，增加了對(duì)高度可靠的射頻前端解決方案的需求，提高了能源效率、更大的帶寬、更高的工作頻率和更小的占地面積。在大規(guī)模MIMO（mMIMO）系統(tǒng)的推動(dòng)下，基站無(wú)線電中的半導(dǎo)體器件數(shù)量急劇增加，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在降低資本支出和運(yùn)營(yíng)支出方面面臨的壓力更加嚴(yán)峻。因此，限制設(shè)備成本和功耗對(duì)于高效5G網(wǎng)絡(luò)的安裝和運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。

在現(xiàn)代5G無(wú)線電架構(gòu)中部署的射頻功率放大器（PA）在滿足對(duì)更高性能和更低成本的明顯矛盾的需求方面起著重要作用。雖然LDMOS技術(shù)在以前的蜂窩標(biāo)準(zhǔn)中主導(dǎo)了無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的射頻功率放大器，但隨著5G的實(shí)施，這種情況正在改變。氮化鎵具有卓越的射頻特性和明顯較低的功耗，是一個(gè)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。然而，需要注意一點(diǎn)：主要用于新的5G有源天線無(wú)線電的碳化硅基氮化鎵，由于其非主流的半導(dǎo)體工藝，仍然是最昂貴的射頻半導(dǎo)體技術(shù)之一。這限制了它實(shí)現(xiàn)大規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益的潛力。相比之下，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝流程實(shí)現(xiàn)的硅基氮化鎵結(jié)合了兩方面的優(yōu)點(diǎn)：具有競(jìng)爭(zhēng)力的性能與巨大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。在本文中，我們將解釋硅基氮化鎵的進(jìn)展如何使該技術(shù)成為5G無(wú)線電中射頻功率放大器的一個(gè)非常有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

5G要求

數(shù)字社交媒體的激增、帶寬需求很大的視頻通話和移動(dòng)設(shè)備上重度的互聯(lián)網(wǎng)使用正在增加對(duì)高性能5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求，以提供足夠的覆蓋和服務(wù)質(zhì)量。在新冠疫情期間，這種趨勢(shì)愈演愈烈，因此，運(yùn)營(yíng)商正在推動(dòng)6GHz以下5G的推廣，作為應(yīng)對(duì)這種指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)消費(fèi)的有效方式。然而，對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的推動(dòng)對(duì)全球能源賬單產(chǎn)生了巨大影響，預(yù)計(jì)信息和通信技術(shù)將增長(zhǎng)到全球能耗的21%。1

從射頻無(wú)線電的角度來(lái)看，新的5G功能轉(zhuǎn)化為更具挑戰(zhàn)性的射頻特性。更高的載波頻率達(dá)到7GHz，瞬時(shí)帶寬大于400MHz，更高階的調(diào)制方式，更多的信道數(shù)量和mMIMO天線配置是其中幾個(gè)。2 此外，隨著無(wú)線電變得更加復(fù)雜，將重量和功耗保持在最低水平的需求從未如此重要，這兩個(gè)因素都要求更高的能源效率以節(jié)省能源和冷卻設(shè)備的成本。射頻功率放大器仍然是5G mMIMO無(wú)線電中的關(guān)鍵設(shè)備，是無(wú)線傳輸前的最后一個(gè)有源器件，基站高達(dá)50%的能耗在這里。3 用于射頻功率放大器的現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)需要滿足某些苛刻的條件，以滿足5G的要求，并為未來(lái)一代鋪平道路。

在這種情況下，氮化鎵因其卓越的射頻性能而成為5G mMIMO無(wú)線電的領(lǐng)先大功率射頻功率放大器技術(shù)。然而，目前的實(shí)現(xiàn)方式成本過(guò)高。與硅基技術(shù)相比，氮化鎵生長(zhǎng)在昂貴的III/V族SiC晶圓上，采用昂貴的光刻技術(shù)，生產(chǎn)成本特別高。最初嘗試在硅晶圓上生長(zhǎng)氮化鎵，但由于性能不佳和不具有成本優(yōu)勢(shì)，沒(méi)有被市場(chǎng)采納。這種情況正在改變。在本文中，我們描述了一種在8英寸工藝上運(yùn)行的新的硅基氮化鎵技術(shù)，它滿足所有的技術(shù)要求，并提供有商業(yè)吸引力的經(jīng)濟(jì)效益。

射頻功率放大器技術(shù)

LDMOS——LDMOS FET（圖1）于1960年代末至1970年代初推出，以提高功率MOSFET的擊穿電壓。4 橫向擴(kuò)散結(jié)構(gòu)5,6的性能、堅(jiān)固性和易用性超過(guò)了硅雙極晶體管，LDMOS在1990年代成為主流射頻功率技術(shù)。

在過(guò)去的30年里，LDMOS一直是無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施中高功率發(fā)射級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，在3GHz以下都有出色的表現(xiàn)。在GaN HEMT出現(xiàn)之前，由于在8英寸硅襯底上制造器件具有固有的成本優(yōu)勢(shì)，并且與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝完全兼容，LDMOS在無(wú)線基站市場(chǎng)上一直難以被取代。

圖1 LDMOS器件功能截面圖。

圖2 GaN HEMT器件功能截面圖。

圖3 各種PA技術(shù)的Psat與PAE，在2至6GHz范圍內(nèi)測(cè)量。11

圖4 封裝的5.8毫米硅基氮化鎵晶體管的負(fù)載牽引漏極效率與Pout的關(guān)系。

SiC基氮化鎵——誕生于2000年代初的DARPA計(jì)劃，7,8 該計(jì)劃是在1970年代和1980年代成功的砷化鎵MMIC計(jì)劃之后。9 氮化鎵射頻器件（圖2）的開(kāi)發(fā)是為了滿足軍事應(yīng)用（如雷達(dá)）對(duì)高功率、寬帶寬和高頻率的需求。

與LDMOS相比，氮化鎵具有更高的臨界電場(chǎng)和通道中載流子密度最大的固有優(yōu)勢(shì)，這意味著更高的功率密度，在給定的輸出功率下具有更高的阻抗，并且隨頻率升高效率的下降。在軍事應(yīng)用中具有吸引力的屬性，也使氮化鎵在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施中具有吸引力，10 特別是高功率密度——通常是LDMOS晶體管的5倍——與低寄生電容相結(jié)合，這使該器件能夠支持更寬的調(diào)制帶寬。

市場(chǎng)向更高頻率發(fā)展的趨勢(shì)也有利于氮化鎵晶體管，隨著功率和頻率的增加，它能保持更高的峰值效率。如圖3所示，即使超過(guò)2GHz，GaN功率放大器的效率還能超過(guò)80%。這個(gè)效率優(yōu)勢(shì)對(duì)5G和未來(lái)的通信系統(tǒng)越來(lái)越重要。

硅基氮化鎵——成本一直是限制氮化鎵用于無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施等成本敏感型應(yīng)用的一個(gè)主要因素。這對(duì)于2GHz和更低頻率的應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤其如此，因?yàn)樵谶@個(gè)頻段LDMOS和GaN之間的性能差距并不明顯。為了解決SiC基GaN的高成本問(wèn)題，自21世紀(jì)初以來(lái)，人們一直在追求在Si襯底上生長(zhǎng)GaN。性能和可靠性方面的主要挑戰(zhàn)涉及到由于晶格不匹配而難以在Si襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN。在過(guò)去的10年中，大量的研究和開(kāi)發(fā)，特別是在電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用方面，產(chǎn)生了許多改進(jìn)的EPI質(zhì)量，并隨后發(fā)布了許多硅基氮化鎵產(chǎn)品，甚至用于工業(yè)應(yīng)用。12

硅基氮化鎵的現(xiàn)狀

盡管取得了這一進(jìn)展，但要證明硅基氮化鎵的性能與SiC基氮化鎵相當(dāng)，并具有良好的可靠性，還需要克服若干挑戰(zhàn)。英飛凌開(kāi)發(fā)了用于射頻功率的硅基氮化鎵技術(shù)，可以發(fā)揮其潛力。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，硅基氮化鎵已經(jīng)準(zhǔn)備好成為主流技術(shù)。決定成熟的最重要的標(biāo)準(zhǔn)——性能，熱阻，可靠性還有成本，將在下面的章節(jié)中一一討論。

射頻性能——推動(dòng)替代LDMOS的最重要的性能參數(shù)之一是射頻效率。圖4顯示了一個(gè)柵極外圍為5.8毫米、偏置電壓為28V的封裝晶體管的2.7GHz負(fù)載牽引測(cè)量結(jié)果。在圓圈指示的3dB壓縮點(diǎn)（P3dB）下，峰值漏極效率約為85%，峰值輸出功率密度超過(guò)5.5W/mm，性能與SiC基GaN相當(dāng)。等值線顯示，從深度背離到接近飽和的效率相當(dāng)穩(wěn)定，這使得該器件技術(shù)適用于Doherty PA。

熱阻——硅基氮化鎵和碳化硅基氮化鎵之間的一個(gè)根本區(qū)別是熱阻，反映了硅和碳化硅基材的導(dǎo)熱性差異。SiC基氮化鎵具有更好的導(dǎo)熱性。然而，通過(guò)晶圓減薄和器件布局，32V偏壓的硅基氮化鎵晶體管與在48V的碳化硅基氮化鎵器件可以達(dá)到相同的結(jié)溫。推而廣之，假設(shè)故障機(jī)制相似，在較低電壓下工作的硅基氮化鎵器件將達(dá)到與碳化硅基氮化鎵器件相同的可靠性。

可靠性——器件失效和漂移是評(píng)估器件可靠性的兩個(gè)因素。平均失效時(shí)間(MTTF)是由失效機(jī)制決定的，它取決于器件溫度(圖5)。在較低的溫度下，硅基氮化鎵晶體管的MTTF受到電遷移的限制。然而，電遷移是獨(dú)立于GaN晶體管本身的，由器件的金屬化和布局決定。電遷移導(dǎo)致的MTTF可以通過(guò)改變布局來(lái)延長(zhǎng)。英飛凌硅基氮化鎵器件采用了通常用于硅工藝的銅金屬化，對(duì)電遷移具有很高的強(qiáng)壯性，在150℃下，MTTF達(dá)到108小時(shí)。

圖5硅基氮化鎵的平均壽命。

圖6硅基氮化鎵的Idg漂移與時(shí)間的關(guān)系，25℃和100℃。

圖7硅基氮化鎵的Pout漂移與HTRB時(shí)間的關(guān)系。

圖8 單級(jí)Doherty PA框圖。

在評(píng)估該技術(shù)的漂移時(shí)，圖6顯示了器件在25℃和100℃時(shí)的Idq漂移，偏壓為10mA/mm，Vds=28V。推斷測(cè)量結(jié)果，10年后的Idq漂移將低于25%。圖7顯示了一個(gè)20毫米封裝的晶體管在接受高溫反向偏壓(HTRB)壓力測(cè)試時(shí)，輸出功率隨時(shí)間的衰減情況。該器件的偏壓為Vgs=-15V、Vds=100V，溫度為150℃。在1000小時(shí)的HTRB壓力下，輸出功率下降不到8%。

成本——SiC基氮化鎵器件的單位面積成本是由SiC襯底和III/V典型小晶圓加工成本決定的。相比之下，英飛凌的硅基氮化鎵是在標(biāo)準(zhǔn)的8英寸硅晶圓上實(shí)現(xiàn)的，因此與其他硅晶圓生產(chǎn)兼容。硅基氮化鎵晶圓生產(chǎn)采用現(xiàn)代的八英寸硅生產(chǎn)設(shè)備，利用了硅固有的集成度、性能、產(chǎn)量和供應(yīng)鏈基礎(chǔ)設(shè)施。射頻集成導(dǎo)致更復(fù)雜的MMIC是一個(gè)長(zhǎng)期的趨勢(shì)，所以批量生產(chǎn)硅晶圓的單位面積成本仍然是一個(gè)重要的區(qū)別因素。

硅基氮化鎵PA模塊

無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施功率放大器模塊（PAM）的關(guān)鍵性能參數(shù)包括額定射頻輸出功率下的功率增加效率（PAE）、動(dòng)態(tài)峰值輸出功率以及在頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）模式下的線性化能力。

有源天線系統(tǒng)（AAS）中每個(gè)天線單元的射頻功率的一個(gè)趨勢(shì)是將PAM的標(biāo)稱線性輸出功率從3W增加到8W，可能會(huì)增加到12W甚至更高。頻率和天線陣列的大小變化對(duì)PAM的尺寸有限制，所以它要適合射頻印刷電路板（PCB）上的元件間距，以盡量降低系統(tǒng)成本。功率GaN技術(shù)支持這種緊湊的尺寸，因?yàn)樗梢猿惺芨叩慕Y(jié)溫。

為了評(píng)估英飛凌硅基氮化鎵技術(shù)的能力，在多層有機(jī)層壓基板上設(shè)計(jì)了一個(gè)單級(jí)Doherty PAM，其在3.4-3.6GHz頻段的平均調(diào)制線性功率為39dBm（圖8）。在Doherty設(shè)計(jì)中，輸入信號(hào)一分為二，分別進(jìn)入“主管”和“峰管”放大器，在輸出端通過(guò)90度移相器合路。測(cè)量條件，28V的偏置電壓，單音信號(hào)輸入，室溫，測(cè)量了PAM的增益和漏極效率（DE）與輸出功率的關(guān)系（圖9）。在39dBm的輸出下，包括3dB的分路器、合路器和其他無(wú)源損耗，實(shí)現(xiàn)了10.5dB的功率增益。測(cè)量到的最大輸出功率為47.5dBm。

使用峰均比為7.5dB (經(jīng)過(guò)削峰和過(guò)濾)、的5G NR調(diào)制波形，額定射頻工作功率為39dBm， DE的第一個(gè)峰值在此點(diǎn)附近，以確保調(diào)制的DE與單音DE的最小偏差。單音DE為52%到54%。硅基GaN PAM的性能與SiC基GaN所報(bào)告的性能相當(dāng)。13-15

圖9 單級(jí)Doherty PA的實(shí)測(cè)增益（a）和DE（b）與輸入功率的關(guān)系。

圖10 帶有3.6GHz調(diào)制信號(hào)的Doherty PA的增益與Pout，未經(jīng)DPD校準(zhǔn)性能（藍(lán)色）和DPD校準(zhǔn)后的性能（紅色）。

使用頻譜分析儀在3.6GHz測(cè)量了帶有調(diào)制信號(hào)并使用數(shù)字預(yù)失真（DPD）的PAM的動(dòng)態(tài)峰值功率（圖10）。測(cè)得的峰值功率為47.5dBm。該圖比較了有無(wú)DPD的調(diào)制AM-AM依賴性，顯示DPD產(chǎn)生了出色的線性輸出特性。DPD使PAM線性化的能力反映了器件低非線性和電路及器件低記憶效應(yīng)。使用市面上的DPD引擎容易實(shí)現(xiàn)線性化是器件技術(shù)和放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特征。

圖11 在FDD和TDD模式下使用沒(méi)有長(zhǎng)期記憶模型的DPD測(cè)量的Doherty PA頻譜。

該P(yáng)AM的室外應(yīng)用是FDD和TDD基站。由于3GPP的5G標(biāo)準(zhǔn)的多樣性，傳輸信號(hào)的時(shí)間圖可能相當(dāng)復(fù)雜和不規(guī)則，單符號(hào)傳輸是可能的。熱、電荷捕獲和視頻帶寬決定了PAM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，表現(xiàn)為在一個(gè)傳輸子幀內(nèi)沿符號(hào)序列的不同輸出功率和誤差矢量大小。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，圖11繪制了一個(gè)傳輸序列的第一個(gè)符號(hào)的功率譜，顯示了在FDD、混合和TDD模式下使用沒(méi)有長(zhǎng)期記憶模型的DPD的性能。Vc指的是箝位電壓或級(jí)外柵極偏壓。TDD模式的測(cè)量使用了以下調(diào)制信號(hào)：3GPPD TM3.1a，1×20 MHz信道，5G NR OFDM 256-QAM，60kHz SCS和7.5dB PAR。

趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

隨著射頻發(fā)射功率的增加，熱管理變得更加重要。對(duì)于mMIMO AAS，有幾個(gè)熱管理方面的考慮：1）系統(tǒng)過(guò)熱導(dǎo)致組件性能下降和長(zhǎng)期可靠性降低，2）由于能源效率較低，運(yùn)行成本較高，3）無(wú)線電系統(tǒng)的被動(dòng)散熱。

雖然分立模塊可以通過(guò)較低的封裝密度提供更好的熱量管理，但它們會(huì)在較大的AAS產(chǎn)品中帶來(lái)BOM和PCB尺寸的瓶頸，需要系統(tǒng)集成商進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)優(yōu)化。控制芯片厚度、使用適當(dāng)?shù)男酒B接技術(shù)和將PAM良好的焊接到PCB上是散熱的關(guān)鍵。在一定溫度范圍內(nèi)保持近乎恒定的輸出功率需要較小的設(shè)計(jì)余量并產(chǎn)生較高的PAE。英飛凌的硅基GaN PAM的功率增益系數(shù)為-0.02dB/℃，與SiC基GaN和LDMOS PA相當(dāng)。

更寬的瞬時(shí)帶寬和使用5GHz以上的頻段是另外兩個(gè)市場(chǎng)趨勢(shì)，導(dǎo)致更多的GaN上集成PAM解決方案。英飛凌的硅基氮化鎵技術(shù)有能力進(jìn)行MMIC集成，這帶來(lái)了巨大的好處，不僅可以滿足輸出功率規(guī)格，還可以克服級(jí)聯(lián)分立器件、晶體管寄生和鍵合線的寄生效應(yīng)所帶來(lái)的性能限制，這通常會(huì)導(dǎo)致帶寬降低和能效降低。

小結(jié)

本文討論了用于無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的射頻硅基氮化鎵技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)提高了氮化鎵的性價(jià)比。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)成熟，可以發(fā)揮其潛力，在硅晶圓加工的基礎(chǔ)上以較低的成本提供與碳化硅基氮化鎵相同的效率。硅基氮化鎵可以滿足5G無(wú)線通信系統(tǒng)的效率、線性化和功率密度要求。我們相信這是一個(gè)漫長(zhǎng)旅程的開(kāi)始，行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展將把硅基氮化鎵的能力推向更高的頻率和更高的功率水平，有可能擴(kuò)展到無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施以外的應(yīng)用。