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,，信息通信技術(shù)的能耗繼續(xù)飆升。這些市場需求不僅將5G帶到許多關(guān)鍵應(yīng)用上，還對能源效率和性能提出了限制,。5G網(wǎng)絡(luò)性能目標(biāo)對基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件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、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)的推動下,，基站無線電中的半導(dǎo)體器件數(shù)量急劇增加,，移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商在降低資本支出和運(yùn)營支出方面面臨的壓力更加嚴(yán)峻。因此,，限制設(shè)備成本和功耗對于高效5G網(wǎng)絡(luò)的安裝和運(yùn)營至關(guān)重要,。

在現(xiàn)代5G無線電架構(gòu)中部署的射頻功率放大器（PA）在滿足對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,，是一個有力的競爭者,。然而，需要注意一點(diǎn)：主要用于新的5G有源天線無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)：具有競爭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無線電中射頻功率放大器的一個非常有力的競爭者,。

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設(shè)備上重度的互聯(lián)網(wǎng)使用正在增加對高性能5G無線網(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，這種趨勢愈演愈烈,，因此,，運(yùn)營商正在推動6GHz以下5G的推廣，作為應(yīng)對這種指數(shù)級增長的數(shù)據(jù)消費(fèi)的有效方式,。然而,，對更高數(shù)據(jù)速率的推動對全球能源賬單產(chǎn)生了巨大影響，預(yù)計(jì)信息和通信技術(shù)將增長到全球能耗的21%,。1

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(dá)到7GHz,，瞬時帶寬大于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。2 此外,，隨著無線電變得更加復(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無線電中的關(guān)鍵設(shè)備,，是無線傳輸前的最后一個有源器件，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)方式成本過高,。與硅基技術(shù)相比，氮化鎵生長在昂貴的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氮化鎵,，但由于性能不佳和不具有成本優(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(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，并且與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝完全兼容,，LDMOS在無線基站市場上一直難以被取代,。

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）的開發(fā)是為了滿足軍事應(yīng)用（如雷達(dá)）對高功率,、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和通道中載流子密度最大的固有優(yōu)勢,，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。

市場向更高頻率發(fā)展的趨勢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2GHz,，GaN功率放大器的效率還能超過80%。這個效率優(yōu)勢對5G和未來的通信系統(tǒng)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)施等成本敏感型應(yīng)用的一個主要因素,。這對于2GHz和更低頻率的應(yīng)用來說尤其如此，因?yàn)樵谶@個頻段LDMOS和GaN之間的性能差距并不明顯,。為了解決SiC基GaN的高成本問題,，自21世紀(jì)初以來，人們一直在追求在Si襯底上生長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襯底上生長高質(zhì)量的GaN,。在過去的10年中，大量的研究和開發(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估器件可靠性的兩個因素。平均失效時間(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可以通過改變布局來延長,。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，對電遷移具有很高的強(qiáng)壯性,，在150℃下,，MTTF達(dá)到108小時。

在評估該技術(shù)的漂移時,，圖6顯示了器件在25℃和100℃時的Idq漂移,，偏壓為10mA/mm,，Vds=28V。推斷測量結(jié)果,，10年后的Idq漂移將低于25%,。圖7顯示了一個20毫米封裝的晶體管在接受高溫反向偏壓(HTRB)壓力測試時，輸出功率隨時間的衰減情況,。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是一個長期的趨勢,，所以批量生產(chǎn)硅晶圓的單位面積成本仍然是一個重要的區(qū)別因素,。

硅基氮化鎵PA模塊

無線基礎(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）、動態(tài)峰值輸出功率以及在頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）模式下的線性化能力,。

有源天線系統(tǒng)（AAS）中每個天線單元的射頻功率的一個趨勢是將PAM的標(biāo)稱線性輸出功率從3W增加到8W,，可能會增加到12W甚至更高。頻率和天線陣列的大小變化對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)了一個單級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，輸入信號一分為二,，分別進(jìn)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的偏置電壓,，單音信號輸入,，室溫，測量了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、合路器和其他無源損耗,，實(shí)現(xiàn)了10.5dB的功率增益,。測量到的最大輸出功率為47.5dBm。

使用峰均比為7.5dB (經(jīng)過削峰和過濾),、的5G NR調(diào)制波形,，額定射頻工作功率為39dBm， DE的第一個峰值在此點(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所報告的性能相當(dāng),。13-15

使用頻譜分析儀在3.6GHz測量了帶有調(diào)制信號并使用數(shù)字預(yù)失真（DPD）的PAM的動態(tài)峰值功率（圖10）,。測得的峰值功率為47.5dBm。該圖比較了有無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)的一個重要特征,。

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，傳輸信號的時間圖可能相當(dāng)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的動態(tài)響應(yīng),，表現(xiàn)為在一個傳輸子幀內(nèi)沿符號序列的不同輸出功率和誤差矢量大小,。為了說明這一點(diǎn)，圖11繪制了一個傳輸序列的第一個符號的功率譜,，顯示了在FDD,、混合和TDD模式下使用沒有長期記憶模型的DPD的性能。Vc指的是箝位電壓或級外柵極偏壓,。TDD模式的測量使用了以下調(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,。對于mMIMO AAS,，有幾個熱管理方面的考慮：1）系統(tǒng)過熱導(dǎo)致組件性能下降和長期可靠性降低,，2）由于能源效率較低，運(yùn)行成本較高,，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封裝密度提供更好的熱量管理，但它們會在較大的AAS產(chǎn)品中帶來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),。

更寬的瞬時帶寬和使用5GHz以上的頻段是另外兩個市場趨勢，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,，還可以克服級聯(lián)分立器件、晶體管寄生和鍵合線的寄生效應(yīng)所帶來的性能限制,，這通常會導(dǎo)致帶寬降低和能效降低,。

小結(jié)

本文討論了用于無線基礎(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比,。經(jīng)過多年的發(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,。我們相信這是一個漫長旅程的開始,，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)展到無線基礎(chǔ)設(shè)施以外的應(yīng)用,。

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