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射频硅基氮化镓:两个世界的最佳选择

射频硅基氮化镓:两个世界的最佳选择-在现代5G无线电架构中部署的射频功率放大器(PA)在满足对更高性能和更低成本的明显矛盾的需求方面起着重要作用。

当世界继续努力追求更高速的连接,并要求低延迟和高可靠性时,信息通信技术的能耗继续飙升。这些市场需求不仅将5G带到许多关键应用上,还对能源效率和性能提出了限制。5G网络性能目标对基础半导体器件提出了一系列新的要求,增加了对高度可靠的射频前端解决方案的需求,提高了能源效率、更大的带宽、更高的工作频率和更小的占地面积。在大规模MIMO(mMIMO)系统的推动下,基站无线电中的半导体器件数量急剧增加,移动网络运营商在降低资本支出和运营支出方面面临的压力更加严峻。因此,限制设备成本和功耗对于高效5G网络的安装和运营至关重要。

在现代5G无线电架构中部署的射频功率放大器(PA)在满足对更高性能和更低成本的明显矛盾的需求方面起着重要作用。虽然LDMOS技术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的实施,这种情况正在改变。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,需要注意一点:主要用于新的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,仍然是最昂贵的射频半导体技术之一。这限制了它实现大规模经济效益的潜力。相比之下,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,我们将解释硅基氮化镓的进展如何使该技术成为5G无线电中射频功率放大器的一个非常有力的竞争者。

5G要求

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使用正在增加对高性能5G无线网络的需求,以提供足够的覆盖和服务质量。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方式。然而,对更高数据速率的推动对全球能源账单产生了巨大影响,预计信息和通信技术将增长到全球能耗的21%。1

从射频无线电的角度来看,新的5G功能转化为更具挑战性的射频特性。更高的载波频率达到7GHz,瞬时带宽大于400MHz,更高阶的调制方式,更多的信道数量和mMIMO天线配置是其中几个。2 此外,随着无线电变得更加复杂,将重量和功耗保持在最低水平的需求从未如此重要,这两个因素都要求更高的能源效率以节省能源和冷却设备的成本。射频功率放大器仍然是5G mMIMO无线电中的关键设备,是无线传输前的最后一个有源器件,基站高达50%的能耗在这里。3 用于射频功率放大器的现代半导体技术需要满足某些苛刻的条件,以满足5G的要求,并为未来一代铺平道路。

在这种情况下,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术。然而,目前的实现方式成本过高。与硅基技术相比,氮化镓生长在昂贵的III/V族SiC晶圆上,采用昂贵的光刻技术,生产成本特别高。最初尝试在硅晶圆上生长氮化镓,但由于性能不佳和不具有成本优势,没有被市场采纳。这种情况正在改变。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术,它满足所有的技术要求,并提供有商业吸引力的经济效益。

射频功率放大器技术

LDMOS——LDMOS FET(图1)于1960年代末至1970年代初推出,以提高功率MOSFET击穿电压。4 横向扩散结构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术。

在过去的30年里,LDMOS一直是无线基础设施中高功率发射级的标准技术,在3GHz以下都有出色的表现。在GaN HEMT出现之前,由于在8英寸硅衬底上制造器件具有固有的成本优势,并且与标准硅工艺完全兼容,LDMOS在无线基站市场上一直难以被取代。

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图1 LDMOS器件功能截面图。

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图2 GaN HEMT器件功能截面图。

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图3 各种PA技术的Psat与PAE,在2至6GHz范围内测量。11

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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——诞生于2000年代初的DARPA计划,7,8 该计划是在1970年代和1980年代成功的砷化镓MMIC计划之后。9 氮化镓射频器件(图2)的开发是为了满足军事应用(如雷达)对高功率、宽带宽和高频率的需求。

与LDMOS相比,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优势,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下降。在军事应用中具有吸引力的属性,也使氮化镓在无线基础设施中具有吸引力,10 特别是高功率密度——通常是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,即使超过2GHz,GaN功率放大器的效率还能超过80%。这个效率优势对5G和未来的通信系统越来越重要。

硅基氮化镓——成本一直是限制氮化镓用于无线基础设施等成本敏感型应用的一个主要因素。这对于2GHz和更低频率的应用来说尤其如此,因为在这个频段LDMOS和GaN之间的性能差距并不明显。为了解决SiC基GaN的高成本问题,自21世纪初以来,人们一直在追求在Si衬底上生长GaN。性能和可靠性方面的主要挑战涉及到由于晶格不匹配而难以在Si衬底上生长高质量的GaN。在过去的10年中,大量的研究和开发,特别是在电力转换应用方面,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,甚至用于工业应用。12

硅基氮化镓的现状

尽管取得了这一进展,但要证明硅基氮化镓的性能与SiC基氮化镓相当,并具有良好的可靠性,还需要克服若干挑战。英飞凌开发了用于射频功率的硅基氮化镓技术,可以发挥其潜力。经过多年的发展,硅基氮化镓已经准备好成为主流技术。决定成熟的最重要的标准——性能,热阻,可靠性还有成本,将在下面的章节中一一讨论。

射频性能——推动替代LDMOS的最重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负载牵引测量结果。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相当。等值线显示,从深度背离到接近饱和的效率相当稳定,这使得该器件技术适用于Doherty PA。

热阻——硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓之间的一个根本区别是热阻,反映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,在较低电压下工作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——器件失效和漂移是评估器件可靠性的两个因素。平均失效时间(MTTF)是由失效机制决定的,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受到电迁移的限制。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用了通常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。

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图7 硅基氮化镓的Pout漂移与HTRB时间的关系。

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图8 单级Doherty PA框图。

在评估该技术的漂移时,图6显示了器件在25℃和100℃时的Idq漂移,偏压为10mA/mm,Vds=28V。推断测量结果,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受高温反向偏压(HTRB)压力测试时,输出功率随时间的衰减情况。该器件的偏压为Vgs=-15V、Vds=100V,温度为150℃。在1000小时的HTRB压力下,输出功率下降不到8%。

成本——SiC基氮化镓器件的单位面积成本是由SiC衬底和III/V典型小晶圆加工成本决定的。相比之下,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用现代的八英寸硅生产设备,利用了硅固有的集成度、性能、产量和供应链基础设施。射频集成导致更复杂的MMIC是一个长期的趋势,所以批量生产硅晶圆的单位面积成本仍然是一个重要的区别因素。

硅基氮化镓PA模块

无线基础设施功率放大器模块(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甚至更高。频率和天线阵列的大小变化对PAM的尺寸有限制,所以它要适合射频印刷电路板PCB)上的元件间距,以尽量降低系统成本。功率GaN技术支持这种紧凑的尺寸,因为它可以承受更高的结温。

为了评估英飞凌硅基氮化镓技术的能力,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频段的平均调制线性功率为39dBm(图8)。在Doherty设计中,输入信号一分为二,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。测量条件,28V的偏置电压,单音信号输入,室温,测量了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。测量到的最大输出功率为47.5dBm。

使用峰均比为7.5dB (经过削峰和过滤)、的5G NR调制波形,额定射频工作功率为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所报告的性能相当。13-15

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图9 单级Doherty PA的实测增益(a)和DE(b)与输入功率的关系。

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图10 带有3.6GHz调制信号的Doherty PA的增益与Pout,未经DPD校准性能(蓝色)和DPD校准后的性能(红色)。

使用频谱分析仪在3.6GHz测量了带有调制信号并使用数字预失真(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线性化的能力反映了器件低非线性和电路及器件低记忆效应。使用市面上的DPD引擎容易实现线性化是器件技术和放大器设计的一个重要特征。

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图11 在FDD和TDD模式下使用没有长期记忆模型的DPD测量的Doherty PA频谱。

该PAM的室外应用是FDD和TDD基站。由于3GPP的5G标准的多样性,传输信号的时间图可能相当复杂和不规则,单符号传输是可能的。热、电荷捕获和视频带宽决定了PAM的动态响应,表现为在一个传输子帧内沿符号序列的不同输出功率和误差矢量大小。为了说明这一点,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、混合和TDD模式下使用没有长期记忆模型的DPD的性能。Vc指的是箝位电压或级外栅极偏压。TDD模式的测量使用了以下调制信号:3GPPD TM3.1a,1×20 MHz信道,5G NR OFDM 256-QAM,60kHz SCS和7.5dB PAR。

趋势和挑战

随着射频发射功率的增加,热管理变得更加重要。对于mMIMO AAS,有几个热管理方面的考虑:1)系统过热导致组件性能下降和长期可靠性降低,2)由于能源效率较低,运行成本较高,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提供更好的热量管理,但它们会在较大的AAS产品中带来BOM和PCB尺寸的瓶颈,需要系统集成商进行大量的设计优化。控制芯片厚度、使用适当的芯片连接技术和将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需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相当。

更宽的瞬时带宽和使用5GHz以上的频段是另外两个市场趋势,导致更多的GaN上集成PAM解决方案。英飞凌的硅基氮化镓技术有能力进行MMIC集成,这带来了巨大的好处,不仅可以满足输出功率规格,还可以克服级联分立器件、晶体管寄生和键合线的寄生效应所带来的性能限制,这通常会导致带宽降低和能效降低。

小结

本文讨论了用于无线基础设施的射频硅基氮化镓技术的发展,该技术提高了氮化镓的性价比。经过多年的发展,该技术已经成熟,可以发挥其潜力,在硅晶圆加工的基础上以较低的成本提供与碳化硅基氮化镓相同的效率。硅基氮化镓可以满足5G无线通信系统的效率、线性化和功率密度要求。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,有可能扩展到无线基础设施以外的应用。

参考文献

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