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信息通信技術(shù)的能耗繼續(xù)飆升，當世界繼續(xù)努力追求更高時，信息通信技術(shù)的能耗繼續(xù)飆升。這些市場需求不僅將是5G在許多關(guān)鍵應(yīng)用中，也限制了能源效率和性能。5G網(wǎng)絡(luò)性能目標對基本半導(dǎo)體設(shè)備提出了一系列新的要求，增加了對高度可靠的射頻前端解決方案的需求，提高了能源效率、帶寬更大、工作頻率更高、占地面積更小。在大規(guī)模MIMO（mMIMO）在系統(tǒng)的推動下，基站無線電中的半導(dǎo)體設(shè)備數(shù)量急劇增加，移動網(wǎng)絡(luò)運營商在降低資本支出和運營支出方面面面臨的壓力更大。因此，限制設(shè)備成本和功耗對高效為5G網(wǎng)絡(luò)的安裝和運行至關(guān)重要。

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在現(xiàn)代5G部署在無線電架構(gòu)中的射頻功率放大器（PA）在滿足性能更高、成本更低的明顯矛盾方面發(fā)揮著重要作用。雖然LDMOS該技術(shù)的蜂窩標準中，該技術(shù)主導(dǎo)了無線接入網(wǎng)絡(luò)的射頻功率放大器，但隨著5G這種情況正在改變。氮化鎵具有優(yōu)異的射頻特性和明顯的低功耗，是一個強大的競爭對手。但需要注意的是，主要用于新的5G碳化硅基氮化鎵，由于其非主流半導(dǎo)體技術(shù)，仍然是最昂貴的射頻半導(dǎo)體技術(shù)之一。這限制了它實現(xiàn)大規(guī)模經(jīng)濟效益的潛力。相比之下，硅基氮化鎵結(jié)合了具有競爭力的性能和巨大的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)兩個優(yōu)點。本文將解釋硅基氮化鎵的進展如何使該技術(shù)成為5G無線電射頻功率放大器是一個非常強大的競爭對手。

5G要求

隨著數(shù)字社交媒體的激增、帶寬需求大的視頻通話和移動設(shè)備上的嚴重互聯(lián)網(wǎng)使用，高性能的5G為了提供足夠的覆蓋和服務(wù)質(zhì)量，需要無線網(wǎng)絡(luò)。這一趨勢在新冠肺炎疫情期間愈演愈烈，因此運營商正在推動6GHz以下5G作為應(yīng)對這種指數(shù)級增長的數(shù)據(jù)消費的有效途徑。然而，促進更高的數(shù)據(jù)速率對全球能源賬單產(chǎn)生了巨大信息和通信技術(shù)將增加到全球能耗的21%。

從射頻無線電的角度來看，新的5G功能轉(zhuǎn)化為更具挑戰(zhàn)性的射頻特性。更高的載波頻率達到7GHz，瞬時帶寬大于400MHz，調(diào)制方法更高，信道數(shù)量更多mMIMO其中有幾種天線配置。此外，隨著無線電變得更加復(fù)雜，保持最低重量和功耗的需求從來沒有那么重要。這兩個因素都需要更高的能源效率來節(jié)約能源和冷卻設(shè)備onsemi代理成本。射頻功率放大器仍然是5G mMIMO無線電中的關(guān)鍵設(shè)備是無線傳輸前的最后一個有源設(shè)備，基站能耗高達50%。射頻功率放大器的現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)需要滿足一些苛刻的條件才能滿足5G要求，為未來一代鋪平道路。

在這種情況下，氮化鎵因其出色的射頻性能而成為5G mMIMO領(lǐng)先的無線電大功率射頻功率放大器技術(shù)。然而，目前的實現(xiàn)成本太高。氮化鎵比硅基技術(shù)生長得更昂貴III/V族SiC晶圓采用昂貴的光刻技術(shù)，生產(chǎn)成本特別高。氮化鎵最初試圖在硅晶圓上生長，但由于性能差，沒有成本優(yōu)勢，沒有被市場采納。這種情況正在改變。在本文中，我們描述了一種新的硅基氮化鎵技術(shù)，它滿足了所有的技術(shù)要求，并提供了具有商業(yè)吸引力的經(jīng)濟效益。

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擊穿電壓。超過硅雙極晶體管的橫向擴散結(jié)構(gòu)的性能、堅固性和易用性，LDMOS成為1990年代主流射頻功率技術(shù)。

在過去的30年里，LDMOS一直是無線基礎(chǔ)設(shè)施中高功率發(fā)射級的標準技術(shù)GHz以下都表現(xiàn)出色。GaN HEMT在出現(xiàn)之前，由于在8寸硅襯底上制造設(shè)備具有固有的成本優(yōu)勢，并且與標準硅工藝完全兼容，LDMOS無線基站市場一直難以取代。

5.8mm硅基氮化鎵晶體管的負載牽引泄漏效率和Pout的關(guān)系。

SiC基氮化鎵-誕生于2000年代初DARPA該計劃是在1970年代和1980年代成功的砷化鎵MMIC計劃結(jié)束后。氮化鎵射頻器件(圖2)的開發(fā)是為了滿足軍事應(yīng)用(如雷達)對高功率、寬帶寬和高頻率的需求。

與LDMOS氮化鎵在臨界電場和通道中具有最大載流子密度的固有優(yōu)勢，這意味著在給定的輸出功率下具有更高的阻抗性，并隨著頻率的增加而降低效率。在軍事應(yīng)用中具有吸引力的屬性，這也使氮化鎵在無線基礎(chǔ)設(shè)施中具有吸引力，特別是高功率密度-通常LDMOS晶體管的5倍-與低寄生電容器相結(jié)合，使該裝置能夠支持更寬的調(diào)制帶寬。

隨著功率和頻率的增加，市場向更高頻率發(fā)展的趨勢也有利于氮化鎵晶體管。即使超過2GHz，GaN功率放大器的效率也可以超過80%。這種效率優(yōu)勢是5G通信系統(tǒng)在未來越來越重要。

硅基氮化鎵-成本一直是限制氮化鎵用于無線基礎(chǔ)設(shè)施等成本敏感應(yīng)用的主要因素。這對于2GHz尤其是在這個頻段，應(yīng)用頻率更低LDMOS和GaN性能差距不明顯。為了解決SiC基GaN自21世紀初以來，人們一直在追求高成本問題Si襯底上生長GaN。由于晶格不匹配，性能和可靠性的主要挑戰(zhàn)很難Si高質(zhì)量的襯底生長GaN。在過去的10年里，大量的研發(fā)，特別是在電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用方面，產(chǎn)生了許多改進EPI隨后，許多硅基氮化鎵產(chǎn)品被發(fā)布，甚至用于工業(yè)應(yīng)用。

硅基氮化鎵的現(xiàn)狀

盡管取得了這一進展，但要證明硅基氮化鎵的性能和性能SiC基氮化鎵相當，可靠性好，需要克服一些挑戰(zhàn)。英飛凌開發(fā)了用于射頻功率的硅基氮化鎵技術(shù)，可以充分發(fā)揮其潛力。經(jīng)過多年的發(fā)展，硅基氮化鎵已準備成為主流技術(shù)。最重要的標準—性能、熱阻、可靠性和成本將在下一章中逐一討論。

射頻性能-促進替代LDMOS射頻效率是最重要的性能參數(shù)之一。圖4顯示格柵極外圍為5.8mm，偏置電壓為28V封裝晶體管2.7GHz負載牽引測量結(jié)果。圓圈指示3dB壓縮點（P3dB）峰值泄漏效率約為85%，峰值輸出功率密度超過5.5W/mm，性能與SiC基GaN相當。等值線顯示，從深度偏離到接近飽和的效率相當穩(wěn)定，使設(shè)備技術(shù)適用于Doherty PA。

熱阻-硅基氮化鎵與碳化硅基氮化鎵的根本區(qū)別之一是熱阻，反映了硅與碳化硅基材的導(dǎo)熱性差異。SiC基氮化鎵具有更好的導(dǎo)熱性。然而，32V硅基氮化鎵晶體管偏壓48V碳化硅基氮化鎵器件可達到相同的結(jié)溫。假設(shè)故障機制相似，在較低電壓下工作的硅基氮化鎵器件將與碳化硅基氮化鎵器件具有相同的可靠性。

可靠性-設(shè)備故障和漂移是評估設(shè)備可靠性的兩個因素。平均失效時間(MTTF)根據(jù)設(shè)備溫度(圖5)，由故障機制決定。硅基氮化鎵晶體管在較低溫度下MTTF受電遷移的限制。然而，電遷移是獨立的GaN晶體管本身由設(shè)備的金屬化和布局決定。由電遷移引起的MTTF可通過改變布局來延長。英飛凌硅基氮化鎵器件采用銅金屬化，通常用于硅工藝，對電遷移強度高，150℃下，MTTF達到108小時。

圖5硅基氮化鎵的平均壽命。

圖6硅基氮化鎵Idg漂移與時間的關(guān)系，25℃和100℃。

圖7硅基氮化鎵Pout漂移與HTRB時間關(guān)系。

圖8單級Doherty PA框圖。

在評估該技術(shù)的漂移時，圖6顯示25個設(shè)備℃和100℃時的Idq漂移，偏壓為10mA/mm，Vds=28V。10年后推斷測量結(jié)果Idq漂移低于25%。圖7顯示了一根20mm封裝的晶體管在高溫下反向壓力(HTRB)壓力測試時，輸出功率隨時間衰減。該裝置的偏壓為Vgs=-15V、Vds=100V，溫度為150℃。在1000小時的HTRB在壓力下，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由典型的小晶圓加工成本決定。相比之下，英飛凌的硅基氮化鎵是在標準的8英寸硅晶圓上實現(xiàn)的，因此與其他硅晶圓的生產(chǎn)兼容。硅基氮化鎵晶圓采用現(xiàn)代八英寸硅生產(chǎn)設(shè)備，采用硅固有的集成度、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MMIC這是一個長期的趨勢，因此批量生產(chǎn)硅晶圓的單位面積成本仍然是一個重要的差異。

硅基氮化鎵PA模塊

無線基礎(chǔ)設(shè)施功率放大器模塊模塊（PAM）額定射頻輸出功率下的功率增加效率的關(guān)鍵性能參數(shù)（PAE）、動態(tài)峰值輸出功率和頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）線性化能力在模式下。

有源天線系統(tǒng)（AAS）每個天線單元射頻功率的一個趨勢是PAM標稱線性輸出功率從3開始W增加到8W，可增加到12W甚至更高。頻率和天線陣列的大小變化PAM尺寸有限，應(yīng)適合射頻印刷電路板（PCB）盡量降低系統(tǒng)成本。功率GaN由于能承受較高的結(jié)溫，技術(shù)支持這種緊湊的尺寸。

為了評估英飛凌硅基氮化鎵技術(shù)的能力，在多層有機層壓基板上設(shè)計了單級Doherty PAM，其在3.4-3.6GHz線性功率的平均調(diào)制頻段為39dBm（圖8）。在Doherty在設(shè)計中，輸入信號分別進入主管和峰管放大器，在輸出端通過90度移相器合路。測量條件，28V測量偏置電壓、單音信號輸入、室溫PAM增益和漏極效率（DE）與輸出功率的關(guān)系(圖9)。在39dBm包括3的輸出dB分路器、合路器等無源損耗已達到10.5dB功率增益。測量的最大輸出功率為47.5dBm。

峰均比為7.5dB(G NR調(diào)制波形，額定射頻工作功率為39dBm，DE這一點附近的第一個峰值，以確保調(diào)制DE與單音DE最小偏差DE52%到54%。GaN PAM的性能與SiC基GaN報告的性能相當。

圖9單級Doherty PA的實測增益（a）和DE（b）與輸入功率的關(guān)系。

圖10帶有3.6GHz調(diào)制信號的Doherty PA的增益與Pout，未經(jīng)DPD校準性能(藍色)和DPD性能(紅色)校準后。

3.使用頻譜分析儀.6GHz測量帶調(diào)制信號的數(shù)字預(yù)失真（DPD）的PAM動態(tài)峰值功率(圖10)。峰值功率為47.5dBm。這張圖比較了有沒有DPD的調(diào)制AM-AM依賴，顯示DPD線性輸出特性極佳。DPD使PAM線性能力反映了設(shè)備的低非線性、電路和設(shè)備的低記憶效應(yīng)。在市場上使用DPD線性化是設(shè)備技術(shù)和放大器設(shè)計的重要特征。

圖11在FDD和TDD沒有長期記憶模型的模式使用DPD測量的Doherty PA頻譜。

該PAM室外應(yīng)用是FDD和TDD基站。由于3GPP的5G傳輸信號的時間圖可能相當復(fù)雜和不規(guī)則，單符號傳輸是可能的。熱、電荷捕獲和視頻帶寬決定了PAM在傳輸子幀中沿符號序列的不同輸出功率和誤差矢量的動態(tài)響應(yīng)。為了說明這一點，圖11繪制了傳輸序列的第一個符號的功率譜，顯示在FDD、混合和TDD沒有長期記憶模型的模式使用DPD的性能。Vc指夾位電壓或級外柵極偏壓。TDD以下調(diào)制信號用于調(diào)制信號：3GPPD TM3.1a，1×20 MHz信道，5G NR OFDM 256-QAM，60kHz SCS和7.5dB PAR。

趨勢和挑戰(zhàn)

隨著射頻發(fā)射功率的增加，熱管理變得更加重要。mMIMO AAS，有幾個熱管理考慮:1)系統(tǒng)過熱導(dǎo)致組件性能下降，長期可靠性下降；2)由于能源效率低，運行成本高；3)無線電系統(tǒng)的被動散熱。

雖然分立模塊可以通過較低的包裝密度提供更好的熱管理，但它們會更大AAS產(chǎn)品中帶來BOM和PCB系統(tǒng)集成商需要對尺寸瓶頸進行大量的設(shè)計優(yōu)化。控制芯片厚度，采用適當?shù)男酒�連接技術(shù)PAM焊接良好PCB散熱的關(guān)鍵的關(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)計余量和較高的產(chǎn)量PAE。硅基英飛凌GaN PAM功率增益系數(shù)為-0.02dB/℃，與SiC基GaN和LDMOS PA相當。

更寬的瞬時帶寬和使用5GHz上述頻段是另外兩種市場趨勢，導(dǎo)致更多GaN上集成PAM解決方案。英飛凌硅基氮化鎵技術(shù)有能力MMIC集成不僅能滿足輸出功率規(guī)格，還能克服級聯(lián)分立器件、晶體管寄生和鍵合線寄生效應(yīng)帶來的性能限制，通常導(dǎo)致帶寬和能效降低。

小結(jié)

本文探討了無線基礎(chǔ)設(shè)施射頻硅基氮化鎵技術(shù)的發(fā)展，提高了氮化鎵的性價比。經(jīng)過多年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)成熟，可以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。硅基氮化鎵能滿足5G無線通信系統(tǒng)的效率、線性化和功率密度要求。我們相信這是一段漫長旅程的開始。行業(yè)的進一步發(fā)展將硅氮化鎵的能力推向更高的頻率和功率水平，并可能擴展到無線基礎(chǔ)設(shè)施以外的應(yīng)用。