硅基氮化镓：5G射频功率放大器的明日之星
硅基氮化镓：5G射频功率放大器的明日之星
在5G技术快速发展的今天，射频功率放大器（PA）作为连接数字信号与无线传输的关键器件，其性能直接关系到5G网络的覆盖范围、数据传输速率以及稳定性。在众多候选技术中，硅基氮化镓凭借其独特的性能优势与成本潜力，正逐渐成为5G射频功率放大器领域的焦点。
在信息技术飞速发展的当下，全球对于高速、稳定且低延迟的通信连接需求如饥似渴。5G技术作为这一时代需求的产物，承载着提升通信效率、拓展应用场景的重任。然而，伴随着5G技术的广泛应用，信息通信技术的能耗也在迅猛攀升，对基础半导体器件提出了前所未有的严苛要求。在5G网络架构中，射频功率放大器（PA）犹如一座桥梁，连接着数字信号与无线传输，其性能优劣直接关乎5G网络的覆盖范围、数据传输速率以及稳定性。在众多候选技术中，硅基氮化镓凭借其独特的性能优势与成本潜力，正逐渐成为5G射频功率放大器领域的焦点。
随着社交媒体的爆发式增长、高清视频通话的普及以及移动设备对互联网资源的深度依赖，高性能5G无线网络的需求呈现出井喷式增长。特别是在全球公共卫生事件期间，线上办公、学习和娱乐的常态化，进一步加剧了对5G网络的需求。运营商为满足指数级增长的数据消费，大力推进6GHz以下5G频段的部署。然而，这一趋势也带来了能耗的急剧上升，据预测，信息和通信技术能耗将攀升至全球能耗的21%。
从射频工程的专业视角来看，5G技术的新特性对射频器件提出了一系列极具挑战性的要求。更高的载波频率（高达7GHz）、更宽的瞬时带宽（大于400MHz）、更高阶的调制方式、更多的信道数量以及大规模MIMO（mMIMO）天线配置等，这些都成为5G射频设计的关键考量因素。同时，为确保5G设备在各类场景下的高效运行，对设备的功耗、重量以及能源效率也提出了更为严格的标准。在5G mMIMO基站中，射频功率放大器作为无线传输链路中的关键环节，承担着将数字信号转换为高功率射频信号的重任，其能耗占据基站总能耗的近50%。因此，研发满足5G性能需求且具备高能源效率和低成本的射频功率放大器技术，成为当前通信领域的研究热点。
目前，应用于射频功率放大器的技术主要包括LDMOS、SiC基氮化镓以及硅基氮化镓。LDMOS FET起源于20世纪60年代末至70年代初，其设计初衷是为提升功率MOSFET的击穿电压。通过独特的横向扩散结构设计，LDMOS在性能、坚固性以及易用性方面超越了传统的硅双极晶体管。自20世纪90年代起，LDMOS凭借其在3GHz以下频段的出色表现，以及在8英寸硅衬底上制造所带来的成本优势和与标准硅工艺的兼容性，成为无线基础设施中高功率发射级的主流技术。
SiC基氮化镓技术的发展源于21世纪初的DARPA计划，该计划旨在满足军事领域对高功率、宽带宽以及高频率射频器件的需求。相较于LDMOS，SiC基氮化镓具备一系列显著优势。其更高的临界电场使得器件能够承受更高的电压，从而实现更高的功率密度；通道中载流子密度的固有优势，使得在给定输出功率下具有更高的阻抗，且在频率升高时效率下降更为平缓。这些特性不仅在军事应用中表现卓越，在无线通信基础设施领域同样具有巨大的吸引力。例如，其高功率密度通常是LDMOS晶体管的5倍，结合低寄生电容的特性，使得SiC基氮化镓器件能够支持更宽的调制带宽，满足5G对大带宽的需求。然而，SiC基氮化镓技术的广泛应用受到成本因素的制约。其生长于昂贵的III/V族SiC晶圆，并采用高成本的光刻技术，导致生产成本居高不下，限制了其在对成本敏感的无线基础设施领域的大规模应用。
为解决SiC基氮化镓的成本问题，硅基氮化镓技术应运而生。自21世纪初以来，科研人员致力于在Si衬底上生长GaN，但初期面临诸多挑战。由于硅与氮化镓的晶格结构差异，难以在Si衬底上生长出高质量的GaN薄膜，这直接影响了器件的性能与可靠性。然而，经过近十年在材料科学与电力转换应用领域的深入研究与开发，硅基氮化镓技术取得了突破性进展。通过优化外延生长工艺，显著提升了GaN外延层的质量，进而推动了硅基氮化镓产品的商业化进程，部分产品已成功应用于工业领域。
在射频性能方面，硅基氮化镓展现出与SiC基氮化镓相媲美的潜力。以特定栅极外围尺寸和偏置电压的封装晶体管为例，在2.7GHz频率下进行负载牵引测量，结果显示在3dB压缩点（P3dB）时，峰值漏极效率可达约85%，峰值输出功率密度超过5.5W/mm。这一性能指标与SiC基GaN相当，且效率在从深度背离到接近饱和的过程中保持相对稳定，为Doherty PA等高效功率放大器结构的应用提供了良好的基础。
热管理是评估射频器件性能的重要指标之一。尽管SiC基氮化镓具有天然的高热导率优势，但通过先进的晶圆减薄技术和优化的器件布局设计，硅基氮化镓晶体管在32V偏压下，能够与48V偏压的SiC基氮化镓器件达到相同的结温。这意味着在合理的工作电压范围内，硅基氮化镓器件可以实现与SiC基氮化镓器件相当的可靠性，为其在实际应用中的稳定性提供了保障。
可靠性评估涉及器件失效和漂移两个关键因素。在较低温度条件下，硅基氮化镓晶体管的平均失效时间（MTTF）主要受电迁移现象的影响。电迁移通常与器件的金属化工艺和布局设计相关，通过采用先进的金属化技术和优化布局，可有效延长电迁移导致的MTTF。例如，经过优化的硅基氮化镓器件在150℃的高温环境下，MTTF能够达到108小时。在漂移特性方面，通过对器件在不同温度下的静态电流（Idq）漂移和输出功率漂移进行长期监测，结果表明在10年的使用周期内，Idq漂移低于25%，在高温反向偏压（HTRB）压力测试下，1000小时内输出功率下降不到8%。这些数据充分证明了硅基氮化镓器件在长期使用过程中的稳定性和可靠性。
成本是影响技术大规模应用的关键因素。SiC基氮化镓器件的高成本主要源于SiC衬底的昂贵价格以及III/V族小晶圆加工的复杂性。相比之下，硅基氮化镓基于标准的8英寸硅晶圆制造工艺，能够充分利用硅材料在集成度、性能、产量以及供应链基础设施方面的优势。随着半导体制造技术的不断进步，大规模生产硅晶圆的单位面积成本优势将进一步凸显，为硅基氮化镓技术在无线基础设施领域的广泛应用提供了有力的成本支撑。
在无线基础设施功率放大器模块（PAM）的设计中，硅基氮化镓技术展现出卓越的性能。以工作在3.4-3.6GHz频段的单级Doherty PAM为例，通过精心设计多层有机层压基板上的电路结构，在28V偏置电压下，该模块实现了39dBm的平均调制线性功率输出。在Doherty结构中，输入信号经过功分器分为两路，分别输入“主管”和“峰管”放大器，在输出端通过90度移相器进行合路。经过精确测量，在包含3dB分路器、合路器以及其他无源损耗的情况下，该PAM实现了10.5dB的功率增益，最大输出功率达到47.5dBm。
在实际应用场景中，采用峰均比为7.5dB（经过削峰和过滤）的5G NR调制波形，当额定射频工作功率为39dBm时，功率附加效率（PAE）的第一个峰值出现在该功率点附近，确保了调制信号下的PAE与单音信号下的PAE偏差最小化，单音PAE可达52%-54%。这一性能与SiC基GaN所报道的性能相当，充分证明了硅基氮化镓技术在5G功率放大器应用中的可行性和优势。
通过数字预失真（DPD）技术对PAM进行线性化处理，进一步提升了其在复杂调制信号下的性能。使用频谱分析仪在3.6GHz频率下对带有调制信号并经过DPD校准的PAM进行动态峰值功率测量，结果显示峰值功率可达47.5dBm。对比有无DPD校准的调制AM-AM依赖性曲线，清晰地展示了DPD技术在改善输出信号线性度方面的显著效果。DPD技术能够有效补偿器件的非线性特性，得益于硅基氮化镓器件本身较低的非线性和电路及器件的低记忆效应，使得使用市面上通用的DPD引擎即可轻松实现线性化，这一特性对于实际应用中的功率放大器设计至关重要。
展望未来，随着5G技术的不断演进以及6G技术的前瞻性研究，射频功率放大器面临着更高的性能要求和技术挑战。随着射频发射功率的不断提升，热管理问题将愈发突出。对于mMIMO有源天线系统（AAS）而言，系统过热不仅会导致组件性能下降，缩短设备的长期可靠性，还会因能源效率降低而增加运营成本。此外，随着5G向更高频段拓展以及对更宽瞬时带宽的需求，如何在保持高效率的同时，实现更紧凑的电路设计和更高的集成度，成为硅基氮化镓技术发展的关键方向。
通过优化芯片厚度控制、采用先进的芯片连接技术以及确保PAM与印刷电路板（PCB）的良好焊接，能够有效解决热管理问题，确保在一定温度范围内保持稳定的输出功率，提高PAE。同时，硅基氮化镓技术在MMIC集成方面具有显著优势，通过将多个功能模块集成在单一芯片上，不仅可以满足更高的输出功率规格要求，还能够有效克服级联分立器件、晶体管寄生效应以及键合线寄生效应所带来的性能限制，从而提升带宽和能效。
硅基氮化镓技术凭借其在性能、成本、可靠性等方面的综合优势，已成为5G射频功率放大器领域极具潜力的解决方案。尽管面临热管理、高频段应用和集成度等挑战，但随着材料科学、半导体制造工艺以及电路设计技术的不断进步，硅基氮化镓技术有望在5G及未来通信技术发展中发挥更为重要的作用，为实现高速、高效、低能耗的通信网络奠定坚实基础。我们有理由相信，硅基氮化镓技术将开启无线通信领域的新篇章，推动通信技术向更高水平迈进。