Ismail Nasr, Infineon Technologies, Neubiberg, Germany

当全球再接再厉追求完美更高速的联接，并规定低延时和可靠性高时，通信网络技术性的耗能再次飙涨。这种市场的需求不但将5G送到很多重要运用上，还对电力能源高效率和性能明确提出了限定。5G互联网性能总体目标对基本半导体材料器件明确提出了一系列新的规定，提升了对相对高度靠谱的射频前面解决方法的要求，提升了电力能源高效率、更高的网络带宽、更高的输出功率和更小的占地总面积。在规模性MIMO（mMIMO）系统软件的促进下，通信基站无线中的半导体材料器件总数大幅度提升，挪动网络供应商在减少资本性支出和经营开支层面遭遇的工作压力更为不容乐观。因而，限定机器设备成本费和功能损耗针对高效率5G网上的安裝和经营尤为重要。

在当代5G无线构架中布署的射频功率放大电路（PA）在考虑对更高性能和更节省成本的显著分歧的要求层面起着关键功效。尽管LDMOS技术性在过去的蜂窝状规范中核心了无线网络连接互联网的射频功率放大电路，但伴随着5G的执行，这样的事情已经更改。氮化镓具备非凡的射频特点和显著较低的功能损耗，是一个强有力的竞争对手。殊不知，必须留意一点：适用于新的5G数字功放无线天线无线的增碳硅基氮化镓，因为其非主流女生的半导体材料加工工艺，依然是最贵的射频半导体技术之一。这限定了它完成规模性经济收益的发展潜力。比较之下，根据规范的半导体材料生产流程完成的硅基氮化镓融合了两层面的优势：具备竞争优势的性能与极大的规模经济效应。在这篇文章中，大家将表述硅基氮化镓的进度如何使该技术性变成5G无线中射频功率放大电路的一个十分强有力的竞争对手。

5G规定

数据社交媒体的猛增、网络带宽要求非常大的微信视频聊天和直接使用移动端访问普通的网站，会因移动端宽度的限制因素，导致访问者需要左右滑动，以及放大的操作，才能上中重度的互联网技术应用已经提升对高性能5Gwifi网络的要求，以给予充足的遮盖和服务水平。在新冠肺炎疫情期内，这类发展趋势越来越激烈，因而，营运商已经促进6GHz下列5G的营销推广，做为解决这类指数级增长的数据信息交易的合理方法。殊不知，对更高数据速率的促进对全世界电力能源信用卡账单造成了很大危害，预估信息内容和通讯技术将提高到全世界耗能的21%。1

从射频无线的方面看来，新的5G作用转换为更具有挑战的射频特点。更高的载频頻率做到7GHz，瞬间网络带宽超过400MHz，更高阶的调配方法，大量的频带总数和mMIMO无线天线配备是在其中好多个。2 除此之外，伴随着无线越来越更为繁杂，将净重和功能损耗维持在最低标准的要求从没这般关键，这两个要素都规定更高的电力能源高效率以节约能源和冷冻设备的成本费。射频功率放大电路依然是5G mMIMO无线中的主要设备，是无线传输前的最后一个数字功放器件，通信基站达到50%的耗能在这儿。3 用以射频功率放大电路的当代半导体技术必须达到一些严苛的标准，以达到5G的规定，并为将来一代借水行舟。

在这样的情况下，氮化镓因其非凡的射频性能而变成5G mMIMO无线的领跑功率大的射频功率放大电路技术性。殊不知，现阶段的完成方法成本费过高。与硅基技术性对比，氮化镓生长发育在价格昂贵的III/V族SiC圆晶上，选用高昂的光刻技术，产品成本尤其高。最开始试着在硅晶圆上生长发育氮化镓，但因为性能不佳和不具备成本费优点，沒有被销售市场采取。这样的事情已经更改。在这篇文章中，大家叙述了一种在8英尺加工工艺上运转的新的硅基氮化镓技术性，它达到全部的技术标准，并出示有行业诱惑力的经济收益。

射频功率放大电路技术性

LDMOS——LDMOS FET（图1）于1960年代末至1970年代初发布，以提升输出功率MOSFET的击穿电压。4 横着蔓延构造5,6的性能、牢固性和便捷性超出了硅双极电子管，LDMOS在1990年代变成流行射频输出功率技术性。

图1LDMOS器件作用剖面图。

过去的30年来，LDMOS一直是无线网络基础设施建设中大功率发送级的规范技术性，在3GHz下列都是有优秀的主要表现。在GaN HEMT发生以前，因为在8英尺硅衬底上生产制造器件具备原有的费用优点，而且与规范硅加工工艺彻底兼容，LDMOS在无线基站销售市场上一直无法被替代。

SiC基氮化镓——问世于2000年代初的DARPA计划，7,8 该方案是在1970年代和1980年代取得成功的氮化镓MMIC方案以后。9 氮化镓射频器件（图2）的研发是因为达到国防运用（如雷达探测）对大功率、宽带网络宽和高频的要求。

图2GaN HEMT器件作用剖面图。

与LDMOS对比，氮化镓具备更高的临界值静电场和安全通道中自由电子相对密度较大的具有优点，这代表着更高的功率，在已知的功率下具备更高的特性阻抗，而且随頻率上升，高效率的降低更迟缓。在国防运用中具备吸引的特性，也使氮化镓在无线网络基础设施建设中具备诱惑力，10 尤其是高功率——通常是LDMOS电子管的5倍——与低分布电容紧密结合，这使该器件可以使用更宽的调配网络带宽。

销售市场向更高頻率发展趋势的趋势也有益于氮化镓电子管，伴随着输出功率和頻率的提升，它能维持更高的最高值高效率。如下图3所显示，即使超出2GHz，GaN功率放大电路的高效率还能超出80%。这一高效率优点对5G和明天的通信系统愈来愈关键。

图3各种各样PA技术性的Psat与PAE，在2至6GHz范畴内精确测量。11

硅基氮化镓——成本费一直是限定氮化镓用以无线网络基础设施建设等成本费比较敏感型运用的一个关键要素。这针对2GHz和更低頻率的使用而言尤为这般，由于在这个频率段LDMOS和GaN中间的性能差别并不显著。为了更好地处理SiC基GaN的高成本费问题，自21世际初至今，大家一直在追求完美在Si衬底上生长发育GaN。性能和稳定性领域的关键考验牵涉到因为晶格常数不配对而无法在Si衬底上生长发育高品质的GaN。过去的10半年度，很多的探讨和开发设计，特别是在电力工程变换运用层面，造成了很多改善的EPI品质，并接着公布了很多硅基氮化镓商品，乃至用以工业生产运用。12

硅基氮化镓的现况

虽然获得了这一进度，但要证实硅基氮化镓的性能与SiC基氮化镓非常，并具备较好的稳定性，还要摆脱多个考验。英飞凌开发设计了用以射频输出功率的硅基氮化镓技术性，可以充分发挥其发展潜力。通过十几年的发展趋势，硅基氮化镓早已准备好变成流行技术性。决策完善的最重要的规范——性能、传热系数、稳定性也有成本费——将在下面一一探讨。

射频性能——促进取代LDMOS的最重要的性能主要参数之一是射频高效率。图4表明了一个栅压外部为5.8mm、偏置电压为28V的封装形式电子管的2.7GHz负荷牵引带精确测量結果。在圆形标示的3dB缩小点（P3dB）下，最高值漏极高效率约为85%，最高值导出功率超出5.5W/mm，性能与SiC基GaN非常。等值线表明，从深层背驰到贴近饱和状态的高效率非常平稳，这导致该器件技术性适用Doherty PA。

图4封装形式的5.8mm硅基氮化镓电子管的负荷牵引带漏极高效率与Pout的关联。

传热系数——硅基氮化镓和增碳硅基氮化镓中间的一个压根差别是传热系数，体现了硅和增碳硅基材的传热性差别。SiC基氮化镓具备更强的传热性。殊不知，根据圆晶薄化和器件合理布局，32V偏压的硅基氮化镓电子管与在48V的增碳硅基氮化镓器件可以做到同样的结温。推而广之，假定常见故障体制类似，在较低压下运行的硅基氮化镓器件将实现与增碳硅基氮化镓器件同样的稳定性。

可靠性——器件无效和飘移是评定器件稳定性的两种要素。均值无效時间(MTTF)是由无效体制决策的，它在于器件溫度(图5)。在较低的温度下，硅基氮化镓电子管的MTTF遭受电转移的限定。殊不知，电转移是单独于GaN电子管自身的，由器件的镀覆和合理布局决策。电转移造成的MTTF可以利用更改合理布局来增加。英飞凌硅基氮化镓器件选用了通常用以硅加工工艺的铜镀覆，对电转移具备很高的健壮性，在150℃下，MTTF做到108钟头。

图5硅基氮化镓的人均寿命。

在评定该工艺的飘移时，图6表明了器件在25℃和100℃时的Idq飘移，偏压为10mA/mm，Vds=28V。推论精确测量結果，10年之后的Idq飘移将小于25%。图7表明了一个20mm封装形式的电子管在接纳高溫反方向偏压(HTRB)稳定性测试时，功率随時间的损耗状况。该器件的偏压为Vgs=-15V、Vds=100V，溫度为150℃。在1000钟头的HTRB工作压力下，功率降低不上8%。

图6硅基氮化镓的Idg飘移与時间的关联，25℃和100℃。

图7硅基氮化镓的Pout飘移与HTRB時间的关联。

成本费——SiC基氮化镓器件的企业使用面积成本费是由SiC衬底和III/V典型性小圆晶生产成本决策的。比较之下，英飞凌的硅基氮化镓是在规范的8英尺硅晶圆上完成的，因而与别的硅晶圆生产制造兼容。硅基氮化镓圆晶生产制造选用当代的八英寸硅生产设备，运用了硅原有的处理速度、性能、生产量和供应链管理基础设施建设。射频集成化造成更繁杂的MMIC是一个长久的发展趋势，因此大批量生产硅晶圆的企业使用面积成本费依然是一个关键的差别要素。

硅基氮化镓PA控制模块

无线网络基础设施建设功率放大电路控制模块（PAM）的重要性能主要参数包含额定值射频功率下的输出功率提升高效率（PAE）、动态性最高值功率及其在频分全双工（FDD）和时候全双工（TDD）方式下的归一化处理工作能力。

数字功放无线天线系统软件（AAS）中每一个无线天线模块的射频输出功率的一个发展趋势是将PAM的标准线形功率从3W提升到8W，很有可能会提升到12W乃至更高。頻率和无线天线列阵的尺寸转变对PAM的规格有限定，因此它要合适射频印刷线路板（PCB）上的元器件间隔，以尽可能减少系统软件成本费。输出功率GaN服务支持这类紧密的规格，因为它可以承担更高的结温。

为了更好地评定英飞凌硅基氮化镓技术性的工作能力，在双层有机化学压层基材上设计方案了一个单极DohertyPAM，其在3.4-3.6GHz频率段的均值调配线形输出功率为39dBm（图8）。在Doherty设计方案中，键入数据信号一分为二，各自进到“负责人”和“峰管”放大仪，在导出端根据90度移相器合路。精确测量标准：28V偏置电压，单音数据信号键入，室内温度，精确测量了PAM的收获和漏极高效率（DE）与功率的关联（图9）。在39dBm的导出下，包含3dB的分开器、合路器和别的微波感应器耗损，完成了10.5dB的输出功率收获。精确测量到的最高功率为47.5dBm。

图8单极Doherty PA框架图。

图9单极Doherty PA的评测收获（a）和DE（b）与输入功率的关联。

应用峰均之比7.5dB (通过削峰和过虑)、的5G NR调配波型，额定值射频工作中输出功率为39dBm，DE的第一个最高值在这里点周边，以保证调配的DE与单音DE的最少误差。单音DE为52%到54%。硅基GaN PAM的性能与SiC基GaN所汇报的性能非常。13-15

应用频谱仪在3.6GHz精确测量了含有调配数据信号并应用数据预失帧（DPD）的PAM的动态性最高值输出功率（图10）。测出的顶值输出功率为47.5dBm。该图较为了有没有DPD的调配AM-AM依赖感，表明DPD造成了优异的线形频率特性。DPD使PAM归一化处理的工作能力体现了器件低最优控制和电源电路及器件低记忆性。应用目前市面上的DPD模块非常容易完成归一化处理是器件技术性和放大仪设计方案的一个关键特点。

图10含有3.6GHz调配数据信号的Doherty PA的收获与Pout，没经DPD校正的性能（深蓝色）和DPD校正后的性能（鲜红色）。

该PAM的户外运用是FDD和TDD通信基站。因为3GPP的5G规范的多元性，传送数据信号的时间图很有可能非常繁杂和不规律，单标记传送是很有可能的。热、正电荷捕获视频网络带宽选择了PAM的信息回应，主要表现为在一个传送子帧内缘标记编码序列的不一样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，1×20MHz信道、5G NR OFDM256-QAM、60kHz SCS和7.5dB PAR。

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。

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。