在当代5G无线电架构中支配的射频功率放大器（PA）在知足对更高性能和更低本钱的明显抵牾的需求方面起着重要浸染。虽然LDMOS技能在以前的蜂窝标准中主导了无线接入网络的射频功率放大器，但随着5G的履行，这种情形正在改变。氮化镓具有卓越的射频特性和明显较低的功耗，是一个有力的竞争者。然而，须要把稳一点：紧张用于新的5G有源天线无线电的碳化硅基氮化镓，由于其非主流的半导体工艺，仍旧是最昂贵的射频半导体技能之一。这限定了它实现大规模经济效益的潜力。比较之下，通过标准的半导体工艺流程实现的硅基氮化镓结合了两方面的优点：具有竞争力的性能与巨大的规模经济效应。在本文中，我们将阐明硅基氮化镓的进展如何使该技能成为5G无线电中射频功率放大器的一个非常有力的竞争者。
5G哀求
数字社交媒体的激增、带宽需求很大的视频通话和移动设备上重度的互联网利用正在增加对高性能5G无线网络的需求，以供应足够的覆盖和做事质量。在新冠疫情期间，这种趋势愈演愈烈，因此，运营商正在推动6GHz以下5G的推广，作为应对这种指数级增长的数据消费的有效办法。然而，对更高数据速率的推动对环球能源账单产生了巨大影响，估量信息和通信技能将增长到环球能耗的21%。1
从射频无线电的角度来看，新的5G功能转化为更具寻衅性的射频特性。更高的载波频率达到7GHz，瞬时带宽大于400MHz，更高阶的调制办法，更多的信道数量和mMIMO天线配置是个中几个。2 此外，随着无线电变得更加繁芜，将重量和功耗保持在最低水平的需求从未如此主要，这两个成分都哀求更高的能源效率以节省能源和冷却设备的本钱。射频功率放大器仍旧是5G mMIMO无线电中的关键设备，是无线传输前的末了一个有源器件，基站高达50%的能耗在这里。3 用于射频功率放大器的当代半导体技能须要知足某些苛刻的条件，以知足5G的哀求，并为未来一代铺平道路。
在这种情形下，氮化镓因其卓越的射频性能而成为5G mMIMO无线电的领先大功率射频功率放大器技能。然而，目前的实现办法本钱过高。与硅基技能比较，氮化镓成长在昂贵的III/V族SiC晶圆上，采取昂贵的光刻技能，生产本钱特殊高。最初考试测验在硅晶圆上成长氮化镓，但由于性能不佳和不具有本钱上风，没有被市场采纳。这种情形正在改变。在本文中，我们描述了一种在8英寸工艺上运行的新的硅基氮化镓技能，它知足所有的技能哀求，并供应有商业吸引力的经济效益。
射频功率放大器技能
LDMOS——LDMOS FET（图1）于1960年代末至1970年代初推出，以提高功率MOSFET的击穿电压。4 横向扩散构造5,6的性能、坚固性和易用性超过了硅双极晶体管，LDMOS在1990年代成为主流射频功率技能。
在过去的30年里，LDMOS一贯是无线根本举动步伐中高功率发射级的标准技能，在3GHz以下都有出色的表现。在GaN HEMT涌现之前，由于在8英寸硅衬底上制造器件具有固有的本钱上风，并且与标准硅工艺完备兼容，LDMOS在无线基站市场上一贯难以被取代。
图1 LDMOS器件功能截面图。
图2 GaN HEMT器件功能截面图。
图3 各种PA技能的Psat与PAE，在2至6GHz范围内丈量。11
图4 封装的5.8毫米硅基氮化镓晶体管的负载牵引漏极效率与Pout的关系。
SiC基氮化镓——出身于2000年代初的DARPA操持，7,8 该操持是在1970年代和1980年代成功的砷化镓MMIC操持之后。9 氮化镓射频器件（图2）的开拓是为了知足军事运用（如雷达）对高功率、宽带宽和高频率的需求。
与LDMOS比较，氮化镓具有更高的临界电场和通道中载流子密度最大的固有上风，这意味着更高的功率密度，在给定的输出功率下具有更高的阻抗，并且随频率升高效率的低落。在军事运用中具有吸引力的属性，也使氮化镓在无线根本举动步伐中具有吸引力，10 特殊是高功率密度——常日是LDMOS晶体管的5倍——与低寄生电容相结合，这使该器件能够支持更宽的调制带宽。
市场向更高频率发展的趋势也有利于氮化镓晶体管，随着功率和频率的增加，它能保持更高的峰值效率。如图3所示，纵然超过2GHz，GaN功率放大器的效率还能超过80%。这个效率上风对5G和未来的通信系统越来越主要。
硅基氮化镓——本钱一贯是限定氮化镓用于无线根本举动步伐等本钱敏感型运用的一个紧张成分。这对付2GHz和更低频率的运用来说尤其如此，由于在这个频段LDMOS和GaN之间的性能差距并不明显。为理解决SiC基GaN的高本钱问题，自21世纪初以来，人们一贯在追求在Si衬底上成长GaN。性能和可靠性方面的紧张寻衅涉及到由于晶格不匹配而难以在Si衬底上成长高质量的GaN。在过去的10年中，大量的研究和开拓，特殊是在电力转换运用方面，产生了许多改进的EPI质量，并随后发布了许多硅基氮化镓产品，乃至用于工业运用。12
硅基氮化镓的现状
只管取得了这一进展，但要证明硅基氮化镓的性能与SiC基氮化镓相称，并具有良好的可靠性，还须要战胜多少寻衅。英飞凌开拓了用于射频功率的硅基氮化镓技能，可以发挥其潜力。经由多年的发展，硅基氮化镓已经准备好成为主流技能。决定成熟的最主要的标准——性能，热阻，可靠性还有本钱，将不才面的章节中逐一谈论。
射频性能——推动替代LDMOS的最主要的性能参数之一是射频效率。图4显示了一个栅极外围为5.8毫米、偏置电压为28V的封装晶体管的2.7GHz负载牵引丈量结果。在圆圈指示的3dB压缩点（P3dB）下，峰值漏极效率约为85%，峰值输出功率密度超过5.5W/mm，性能与SiC基GaN相称。等值线显示，从深度背离到靠近饱和的效率相称稳定，这使得该器件技能适用于Doherty PA。
热阻——硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓之间的一个根本差异是热阻，反响了硅和碳化硅基材的导热性差异。SiC基氮化镓具有更好的导热性。然而，通过晶圆减薄和器件布局，32V偏压的硅基氮化镓晶体管与在48V的碳化硅基氮化镓器件可以达到相同的结温。推而广之，假设故障机制相似，在较低电压下事情的硅基氮化镓器件将达到与碳化硅基氮化镓器件相同的可靠性。
可靠性——器件失落效和漂移是评估器件可靠性的两个成分。均匀失落效韶光(MTTF)是由失落效机制决定的，它取决于器件温度(图5)。在较低的温度下，硅基氮化镓晶体管的MTTF受到电迁移的限定。然而，电迁移是独立于GaN晶体管本身的，由器件的金属化和布局决定。电迁移导致的MTTF可以通过改变布局来延长。英飞凌硅基氮化镓器件采取了常日用于硅工艺的铜金属化，对电迁移具有很高的强壮性，在150℃下，MTTF达到108小时。
图5 硅基氮化镓的均匀寿命。
图6 硅基氮化镓的Idg漂移与韶光的关系，25℃和100℃。
图7 硅基氮化镓的Pout漂移与HTRB韶光的关系。
图8 单级Doherty PA框图。
在评估该技能的漂移时，图6显示了器件在25℃和100℃时的Idq漂移，偏压为10mA/mm，Vds=28V。推断丈量结果，10年后的Idq漂移将低于25%。图7显示了一个20毫米封装的晶体管在接管高温反向偏压(HTRB)压力测试时，输出功率随韶光的衰减情形。该器件的偏压为Vgs=-15V、Vds=100V，温度为150℃。在1000小时的HTRB压力下，输出功率低落不到8%。
本钱——SiC基氮化镓器件的单位面积本钱是由SiC衬底和III/V范例小晶圆加工本钱决定的。比较之下，英飞凌的硅基氮化镓是在标准的8英寸硅晶圆上实现的，因此与其他硅晶圆生产兼容。硅基氮化镓晶圆生产采取当代的八英寸硅生产设备，利用了硅固有的集成度、性能、产量和供应链根本举动步伐。射频集成导致更繁芜的MMIC是一个长期的趋势，以是批量生产硅晶圆的单位面积本钱仍旧是一个主要的差异成分。
硅基氮化镓PA模块
无线根本举动步伐功率放大器模块（PAM）的关键性能参数包括额定射频输出功率下的功率增加效率（PAE）、动态峰值输出功率以及在频分双工（FDD）和时分双工（TDD）模式下的线性化能力。
有源天线系统（AAS）中每个天线单元的射频功率的一个趋势是将PAM的标称线性输出功率从3W增加到8W，可能会增加到12W乃至更高。频率和天线阵列的大小变革对PAM的尺寸有限定，以是它要适宜射频印刷电路板（PCB）上的元件间距，以只管即便降落系统本钱。功率GaN技能支持这种紧凑的尺寸，由于它可以承受更高的结温。
为了评估英飞凌硅基氮化镓技能的能力，在多层有机层压基板上设计了一个单级Doherty PAM，其在3.4-3.6GHz频段的均匀调制线性功率为39dBm（图8）。在Doherty设计中，输入旗子暗记一分为二，分别进入“主管”和“峰管”放大器，在输出端通过90度移相器合路。丈量条件，28V的偏置电压，单音旗子暗记输入，室温，丈量了PAM的增益和漏极效率（DE）与输出功率的关系（图9）。在39dBm的输出下，包括3dB的分路器、合路器和其他无源损耗，实现了10.5dB的功率增益。丈量到的最大输出功率为47.5dBm。
利用峰均比为7.5dB (经由削峰和过滤)、的5G NR调制波形，额定射频事情功率为39dBm， DE的第一个峰值在此点附近，以确保调制的DE与单音DE的最小偏差。单音DE为52%到54%。硅基GaN PAM的性能与SiC基GaN所报告的性能相称。13-15
图9 单级Doherty PA的实测增益（a）和DE（b）与输入功率的关系。
图10 带有3.6GHz调制旗子暗记的Doherty PA的增益与Pout，未经DPD校准性能（蓝色）和DPD校准后的性能（赤色）。
利用频谱剖析仪在3.6GHz丈量了带有调制旗子暗记并利用数字预失落真（DPD）的PAM的动态峰值功率（图10）。测得的峰值功率为47.5dBm。该图比较了有无DPD的调制AM-AM依赖性，显示DPD产生了出色的线性输出特性。DPD使PAM线性化的能力反响了器件低非线性和电路及器件低影象效应。利用市情上的DPD引擎随意马虎实现线性化是器件技能和放大器设计的一个主要特色。
图11 在FDD和TDD模式下利用没有长期影象模型的DPD丈量的Doherty PA频谱。
该PAM的室外运用是FDD和TDD基站。由于3GPP的5G标准的多样性，传输旗子暗记的韶光图可能相称繁芜和不规则，单符号传输是可能的。热、电荷捕获和视频带宽决定了PAM的动态相应，表现为在一个传输子帧内沿符号序列的不同输出功率和偏差矢量大小。为相识释这一点，图11绘制了一个传输序列的第一个符号的功率谱，显示了在FDD、稠浊和TDD模式下利用没有长期影象模型的DPD的性能。Vc指的是箝位电压或级外栅极偏压。TDD模式的丈量利用了以下调制旗子暗记：3GPPD TM3.1a，1×20 MHz信道，5G NR OFDM 256-QAM，60kHz SCS和7.5dB PAR。
趋势和寻衅
随着射频发射功率的增加，热管理变得更加主要。对付mMIMO AAS，有几个热管理方面的考虑：1）系统过热导致组件性能低落和长期可靠性降落，2）由于能源效率较低，运行本钱较高，3）无线电系统的被动散热。
虽然分立模块可以通过较低的封装密度供应更好的热量管理，但它们会在较大的AAS产品中带来BOM和PCB尺寸的瓶颈，须要系统集成商进行大量的设计优化。掌握芯片厚度、利用适当的芯片连接技能和将PAM良好的焊接到PCB上是散热的关键。在一定温度范围内保持近乎恒定的输出功率须要较小的设计余量并产生较高的PAE。英飞凌的硅基GaN PAM的功率增益系数为-0.02dB/℃，与SiC基GaN和LDMOS PA相称。
更宽的瞬时带宽和利用5GHz以上的频段是其余两个市场趋势，导致更多的GaN上集成PAM办理方案。英飞凌的硅基氮化镓技能有能力进行MMIC集成，这带来了巨大的好处，不仅可以知足输出功率规格，还可以战胜级联分立器件、晶体管寄生和键合线的寄生效应所带来的性能限定，这常日会导致带宽降落和能效降落。
小结
本文谈论了用于无线根本举动步伐的射频硅基氮化镓技能的发展，该技能提高了氮化镓的性价比。经由多年的发展，该技能已经成熟，可以发挥其潜力，在硅晶圆加工的根本上以较低的本钱供应与碳化硅基氮化镓相同的效率。硅基氮化镓可以知足5G无线通信系统的效率、线性化和功率密度哀求。我们相信这是一个漫长旅程的开始，行业的进一步发展将把硅基氮化镓的能力推向更高的频率和更高的功率水平，有可能扩展到无线根本举动步伐以外的运用。
