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射頻硅基氮化鎵:兩個世界的最佳選擇

2022-01-27
作者:Ismail Nasr, Infineon Technologies, Neubiberg, Germany
來源:英飛凌
關鍵詞: 射頻 硅基氮化鎵 5G

當世界繼續努力追求更高速的連接,并要求低延遲和高可靠性時,信息通信技術的能耗繼續飆升。這些市場需求不僅將5G帶到許多關鍵應用上,還對能源效率和性能提出了限制。5G網絡性能目標對基礎半導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。在大規模MIMO(mMIMO)系統的推動下,基站無線電中的半導體器件數量急劇增加,移動網絡運營商在降低資本支出和運營支出方面面臨的壓力更加嚴峻。因此,限制設備成本和功耗對于高效5G網絡的安裝和運營至關重要。

在現代5G無線電架構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技術在以前的蜂窩標準中主導了無線接入網絡的射頻功率放大器,但隨著5G的實施,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: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體工藝,仍然是最昂貴的射頻半導體技術之一。這限制了它實現大規模經濟效益的潛力。相比之下,通過標準的半導體工藝流程實現的硅基氮化鎵結合了兩方面的優點:具有競爭力的性能與巨大的規模經濟效應。在本文中,我們將解釋硅基氮化鎵的進展如何使該技術成為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

數字社交媒體的激增、帶寬需求很大的視頻通話和移動設備上重度的互聯網使用正在增加對高性能5G無線網絡的需求,以提供足夠的覆蓋和服務質量。在新冠疫情期間,這種趨勢愈演愈烈,因此,運營商正在推動6GHz以下5G的推廣,作為應對這種指數級增長的數據消費的有效方式。然而,對更高數據速率的推動對全球能源賬單產生了巨大影響,預計信息和通信技術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功能轉化為更具挑戰性的射頻特性。更高的載波頻率達到7GHz,瞬時帶寬大于400MHz,更高階的調制方式,更多的信道數量和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省能源和冷卻設備的成本。射頻功率放大器仍然是5G mMIMO無線電中的關鍵設備,是無線傳輸前的最后一個有源器件,基站高達50%的能耗在這里。3 用于射頻功率放大器的現代半導體技術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無線電的領先大功率射頻功率放大器技術。然而,目前的實現方式成本過高。與硅基技術相比,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,生產成本特別高。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英寸工藝上運行的新的硅基氮化鎵技術,它滿足所有的技術要求,并提供有商業吸引力的經濟效益。

射頻功率放大器技術

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 橫向擴散結構5,6的性能、堅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。

在過去的30年里,LDMOS一直是無線基礎設施中高功率發射級的標準技術,在3GHz以下都有出色的表現。在GaN HEMT出現之前,由于在8英寸硅襯底上制造器件具有固有的成本優勢,并且與標準硅工藝完全兼容,LDMOS在無線基站市場上一直難以被取代。


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SiC基氮化鎵——誕生于2000年代初的DARPA計劃,7,8 該計劃是在1970年代和1980年代成功的砷化鎵MMIC計劃之后。9 氮化鎵射頻器件(圖2)的開發是為了滿足軍事應用(如雷達)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。在軍事應用中具有吸引力的屬性,也使氮化鎵在無線基礎設施中具有吸引力,10 特別是高功率密度——通常是LDMOS晶體管的5倍——與低寄生電容相結合,這使該器件能夠支持更寬的調制帶寬。

市場向更高頻率發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%。這個效率優勢對5G和未來的通信系統越來越重要。

硅基氮化鎵——成本一直是限制氮化鎵用于無線基礎設施等成本敏感型應用的一個主要因素。這對于2GHz和更低頻率的應用來說尤其如此,因為在這個頻段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涉及到由于晶格不匹配而難以在Si襯底上生長高質量的GaN。在過去的10年中,大量的研究和開發,特別是在電力轉換應用方面,產生了許多改進的EPI質量,并隨后發布了許多硅基氮化鎵產品,甚至用于工業應用。12

硅基氮化鎵的現狀

盡管取得了這一進展,但要證明硅基氮化鎵的性能與SiC基氮化鎵相當,并具有良好的可靠性,還需要克服若干挑戰。英飛凌開發了用于射頻功率的硅基氮化鎵技術,可以發揮其潛力。經過多年的發展,硅基氮化鎵已經準備好成為主流技術。決定成熟的最重要的標準——性能,熱阻,可靠性還有成本,將在下面的章節中一一討論。

射頻性能——推動替代LDMOS的最重要的性能參數之一是射頻效率。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負載牽引測量結果。在圓圈指示的3dB壓縮點(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。等值線顯示,從深度背離到接近飽和的效率相當穩定,這使得該器件技術適用于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別是熱阻,反映了硅和碳化硅基材的導熱性差異。SiC基氮化鎵具有更好的導熱性。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到相同的結溫。推而廣之,假設故障機制相似,在較低電壓下工作的硅基氮化鎵器件將達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壯性,在150℃下,MTTF達到108小時。


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在評估該技術的漂移時,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準的8英寸硅晶圓上實現的,因此與其他硅晶圓生產兼容。硅基氮化鎵晶圓生產采用現代的八英寸硅生產設備,利用了硅固有的集成度、性能、產量和供應鏈基礎設施。射頻集成導致更復雜的MMIC是一個長期的趨勢,所以批量生產硅晶圓的單位面積成本仍然是一個重要的區別因素。

硅基氮化鎵PA模塊

無線基礎設施功率放大器模塊(PAM)的關鍵性能參數包括額定射頻輸出功率下的功率增加效率(PAE)、動態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(AAS)中每個天線單元的射頻功率的一個趨勢是將PAM的標稱線性輸出功率從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,以盡量降低系統成本。功率GaN技術支持這種緊湊的尺寸,因為它可以承受更高的結溫。

為了評估英飛凌硅基氮化鎵技術的能力,在多層有機層壓基板上設計了一個單級Doherty PAM,其在3.4-3.6GHz頻段的平均調制線性功率為39dBm(圖8)。在Doherty設計中,輸入信號一分為二,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,實現了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 (經過削峰和過濾)、的5G NR調制波形,額定射頻工作功率為39dBm, DE的第一個峰值在此點附近,以確保調制的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。13-15


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使用頻譜分析儀在3.6GHz測量了帶有調制信號并使用數字預失真(DPD)的PAM的動態峰值功率(圖10)。測得的峰值功率為47.5dBm。該圖比較了有無DPD的調制AM-AM依賴性,顯示DPD產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。使用市面上的DPD引擎容易實現線性化是器件技術和放大器設計的一個重要特征。


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該PAM的室外應用是FDD和TDD基站。由于3GPP的5G標準的多樣性,傳輸信號的時間圖可能相當復雜和不規則,單符號傳輸是可能的。熱、電荷捕獲和視頻帶寬決定了PAM的動態響應,表現為在一個傳輸子幀內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,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

隨著射頻發射功率的增加,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)系統過熱導致組件性能下降和長期可靠性降低,2)由于能源效率較低,運行成本較高,3)無線電系統的被動散熱。

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產品中帶來BOM和PCB尺寸的瓶頸,需要系統集成商進行大量的設計優化??刂菩酒穸?、使用適當的芯片連接技術和將PAM良好的焊接到PCB上是散熱的關鍵。在一定溫度范圍內保持近乎恒定的輸出功率需要較小的設計余量并產生較高的PAE。英飛凌的硅基GaN PAM的功率增益系數為-0.02dB/℃,與SiC基GaN和LDMOS PA相當。

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,導致更多的GaN上集成PAM解決方案。英飛凌的硅基氮化鎵技術有能力進行MMIC集成,這帶來了巨大的好處,不僅可以滿足輸出功率規格,還可以克服級聯分立器件、晶體管寄生和鍵合線的寄生效應所帶來的性能限制,這通常會導致帶寬降低和能效降低。


小結

本文討論了用于無線基礎設施的射頻硅基氮化鎵技術的發展,該技術提高了氮化鎵的性價比。經過多年的發展,該技術已經成熟,可以發揮其潛力,在硅晶圓加工的基礎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,行業的進一步發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,有可能擴展到無線基礎設施以外的應用。


參考文獻

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