Ismail Nasr, Infineon Technologies, Neubiberg, Germany當環球不屈不撓尋求完善更高速的聯接，并規則低延時和靠得住性高時，通訊收集技巧性的耗能再次飆漲。這類市場的需求不只將5G送到許多緊張應用上，還對電力動力高服從和機能明白提出了限制。5G互聯網機能整體方針對根本半導體資料器件明白提出了一系列新的規則，提拔了對絕對高度靠譜的射頻後面處理方式的請求，提拔了電力動力高服從、更高的收集帶寬、更高的輸入功率和更小的占地總面積。在範圍性MIMO（mMIMO）體系軟件的增進下，通訊基站無線中的半導體資料器件總數年夜幅度提拔，移動收集供給商在削減資源性付出和運營開支層面遭受的任務壓力更為不容悲觀。因此，限制機械裝備本錢費和功效消耗針對高服從5G網上的裝置和運營尤其緊張。在現代5G無線構架中布署的射頻功率縮小電路（PA）在斟酌對更高機能和更節儉本錢的明顯不合的請求層面起著癥結功能。盡管LDMOS技巧性在曩昔的蜂窩狀規范中焦點了無線收集銜接互聯網的射頻功率縮小電路，但隨同著5G的實行，如許的事變已更改。氮化鎵具有不凡的射頻特色和明顯較低的功效消耗，是一個強無力的競爭敵手。卻不知，必需留心一點：實用于新的5G數字功放無線天線無線的增碳硅基氮化鎵，由於其非主流女生的半導體資料加工工藝，依舊是最貴的射頻半導體技巧之一。這限制了它完陳規模性經濟收益的進展潛力。比擬之下，依據規范的半導體資料臨盆流程完成的硅基氮化鎵融會了兩層面的上風：具有競爭上風的機能與極年夜的範圍經濟效應。在這篇文章中，年夜家將表述硅基氮化鎵的進度怎樣使該技巧性釀成5G無線中射頻功率縮小電路的一個非常強無力的競爭敵手。5G規則數據交際媒體的猛增、收集帶寬請求特別很是年夜的微信視頻聊天和直接應用挪動端拜訪平凡的網站，會因挪動端寬度的限定身分，招致拜訪者必要擺佈滑動，和縮小的操作，能力上中重度的互聯網技巧利用已提拔對高機能5Gwifi收集的請求，以賦予充分的遮掩和辦事程度。在新冠肺炎疫情期內，這類進展趨向愈來愈劇烈，因此，營運商已增進6GHz以下5G的營銷推行，做為處理這類指數級增進的數據信息生意業務的合理方式。卻不知，對更高數據速度的增進對全球電力動力名譽卡賬單形成了很年夜風險，預估信歐洲 盃 直播 平台息內容和通信技巧將進步到全球耗能的21%。1從射頻無線的方面看來，新的5G感化轉換為更具有挑釁的射頻特色。更高的載屢次率做到7GHz，剎時收集帶寬跨越400MHz，更高階的分配方式，大批的頻帶總數和mMIMO無線天線裝備是在個中很多多少個。2 除此以外，隨同著無線愈來愈更為複雜，將凈重和功效消耗保持在最低規範的請求從沒這般癥結，這兩個要素都規則更高的電力動力高服從以節儉動力和冷凍裝備的本錢費。射頻功率縮小電路依舊是5G mMIMO無線中的重要裝備，是無線傳輸前的最后一個數字功放器件，通訊基站到達50%的耗能在這兒。3 用以射頻功率縮小電路的現代半導體技巧必需到達一些嚴苛的規範，以到達5G的規則，并為未來一代借水行船。在如許的環境下，氮化鎵因其不凡的射頻機能而釀成5G mMIMO無線的領跑功率年夜的射頻功率縮小電路技巧性。卻不知，現階段的完成方式本錢費過高。與硅基技巧性比較，氮化鎵發展發育在價錢昂貴的III/V族SiC圓晶上，選用昂揚的光刻技巧，產物本錢尤其高。最開端試著在硅晶圓上發展發育氮化鎵，但由於機能欠安和不具有本錢費長處，沒有被販賣市場采取。如許的事變已更改。在這篇文章中，年夜家論述了一種在8英尺加工工藝上運轉的新的硅基氮化鎵技巧性，它到達掃數的技巧規範，并出示有行業勾引力的經濟收益。射頻功率縮小電路技巧性LDMOS——LDMOS FET（圖1）于1960年月末至1970年月初宣布，以提拔輸入功率MOSFET的擊穿電壓。4 橫著舒展結構5,6的機能、穩固性和便捷性超越了硅雙極電子管，LDMOS在1990年月釀成風行射頻輸入功率技巧性。圖1LDMOS器件感化剖面圖。曩昔的30年來，LDMOS不停是無線收集基本辦法扶植中年夜功率發送級的規范技巧性，在3GHz以下都是有良好的重要表示。在GaN HEMT產生從前，由於在8英尺硅襯底上臨盆制造器件具有原本的費用長處，並且與規范硅加工工藝徹底兼容，LDMOS在無線基站販賣市場上不停沒法被替換。SiC基氮化鎵——問世于2000年月初的DARPA規劃，7,8 該計劃是在1970年月和1980年月獲得勝利的氮化鎵MMIC計劃以后。9 氮化鎵射頻器件（圖2）的研發是由於到達國防應用（如雷達探測）對年夜功率、寬帶收集寬和高頻的請求。圖2GaN HEMT器件感化剖面圖。與LDMOS比較，氮化鎵具有更高的臨界值靜電場和平安通道中自在電子絕對密度較年夜的具有長處，這代表著更高的功率，在已知的功率下具有更高的特徵阻抗，並且隨頻率上升，高服從的下降更緩慢。在國防應用中具有吸收的特徵，也使氮化鎵在無線收集基本辦法扶植中具有勾引力，10 尤其是高功率——平常是LDMOS電子管的5倍——與低分布電容慎密聯合，這使該器件可以六合彩网上投注應用更寬的分配收集帶寬。販賣市場向更高頻率進展趨向的趨向也無益于氮化鎵電子管，隨同著輸入功率和頻率的提拔，它能保持更高的最高值高服從。以下圖3所表現，即便超越2GHz，GaN功率縮小電路的高服從還能超越80%。這一高服從長處對5G和來日誥日的通訊體系越來越癥結。圖3各類各樣PA技巧性的Psat與PAE，在2至6GHz范疇內切確測量看電影平台。11硅基氮化鎵——本錢費不停是限制氮化鎵用以無線收集基本辦法扶植等本錢費比擬敏感型應用的一個癥結要素。這針對2GHz和更低頻率的應用而言尤其這般，由于在這個頻率段LDMOS和GaN中央的機能差異并不明顯。為了更好地處置SiC基GaN的高本錢費題目，自21世際初至今，年夜家不停在尋求完善在Si襯底上發展發育GaN。機能和穩固性範疇的癥結考驗扳連到由於晶格常數不配對而沒法在Si襯底上發展發育高品格的GaN。曩昔的10半年度，許多的探究和開闢計劃，分外是在電力工程變換應用層面，形成了許多改良的EPI品格，并接著公布了許多硅基氮化鎵商品，以致用以工業臨盆應用。12硅基氮化鎵的現況固然取得了這一進度，但要證明硅基氮化鎵的機能與SiC基氮化鎵特別很是，并具有較好的穩固性，還要解脫多個考驗。英飛凌開闢計劃了用以射頻輸入功率的硅基氮化鎵技巧性，可以充足施展其進展潛力。經由過程十幾年的進展趨向，硅基氮化鎵早已預備好釀成風行技巧性。決議計劃美滿的最緊張的規范——機能、傳熱系數、穩固性也有本錢費——將鄙人面逐一探究。射頻機能——增進庖代LDMOS的最緊張的機能重要參數之一是射頻高服從。圖4註解了一個柵壓內部為5.8mm、偏置電壓為28V的封裝情勢電子管的2.7GHz負荷牽引帶切確測量成果。在圓形標示的3dB減少點（P3dB）下，最高值漏極高服從約為85%，最高值導出功率超越5.5W/mm，機能與SiC基GaN特別很是。等值線註解，從深層背馳到切近飽和狀況的高服從特別很是安穩，這招致該器件技巧性實用Doherty PA。圖4封裝情勢的5.8mm硅基氮化鎵電子管的負荷牽引帶漏極高服從與Pout的聯繫關係。傳熱系數——硅基氮化鎵和增碳硅基氮化鎵中央的一個壓根差異是傳熱系數，表現了硅和增碳硅基材的傳熱性差異。SiC基氮化鎵具有更強的傳熱性。卻不知，依據圓晶薄化和器件合理布局，32V偏壓的硅基氮化鎵電子管與在48V的增碳硅基氮化鎵器件可以做到一樣的結溫。推而廣之，假定罕見毛病體系體例相似，在較高壓下運轉的硅基氮化鎵器件將CASH88娛樂城完成與增碳硅基氮化鎵器件一娛樂城代操樣的穩固性。靠得住性——器件有效和飄移是評定器件穩固性的兩種要素。均值有效時候(MTTF)是由有效體系體例決議計劃的，它在于器件溫度(圖5)。在較低的溫度下，硅基氮化鎵電子管的MTTF遭遇電轉移的限制。卻不知，電轉移是零丁于GaN電子管本身的，由器件的鍍覆和合理布局決議計劃。電轉移釀成的MTTF可以應用更改合理布局來增長。英飛凌硅基氮化鎵器件選用了平常用以硅加工工藝的銅鍍覆，對電轉移具有很高的硬朗性，在150℃下，MTTF做到108鐘頭。圖5硅基氮化鎵的人均壽命。在評定該工藝的飄移時，圖6註解了器件在25℃和100℃時的Idq飄移，偏壓為10mA/mm，Vds=28V。推論切確測量成果，10年之后的Idq飄移將小于25%。圖7註解了一個20mm封裝情勢的電子管在回收低溫反偏向偏壓(HTRB)穩固性測試時，功率隨時候的消耗狀態。該器件的偏壓為Vgs=-15V、Vds=100V，溫度為150℃。在1000鐘頭的HTRB任務壓力下，功率下降不上8%。圖6硅基氮化鎵的Idg飄移與時候的聯繫關係，25℃和100℃。圖7硅基氮化鎵的Pout飄移與HTRB時候的聯繫關係。本錢費——SiC基氮化鎵器件的企業應用面積本錢費是由SiC襯底和III/V典範性小圓晶臨盆本錢決議計劃的。比擬之下，英飛凌的硅基氮化鎵是在規范的8英尺硅晶圓上完成的，因此與其餘硅晶圓臨盆制造兼容。硅基氮化鎵圓晶臨盆制造選用現代的八英寸硅臨盆裝備，應用了硅原本的處置速率、機能、臨盆量和供給鏈治理基本辦法扶植。射頻集成化形成更複雜的MMIC是一個久長的進展趨向，是以大量量臨盆硅晶圓的企業應用面積本錢費依舊是一個癥結的差異要素。硅基氮化鎵PA操縱模塊無線收集基本辦法扶植功率縮小電路操縱模塊（PAM）的緊張機能重要參數包括額外值射頻功率下的輸入功率提拔高服從（PAE）、靜態性最高值功率及其在頻分全雙工（FDD）和時間全雙工（TDD）方法下的回一化處置任務本領。數字功放無線天線體系軟件（AAS）中每一個無線天線模塊的射頻輸入功率的一個進展趨向是將PAM的規範線形功率從3W提拔到8W，很有能夠會提拔到12W以致更高。頻率和無線天線排陣的尺寸變化對PAM的規格無限定，是以它要適合射頻印刷線路板（PCB）上的元器件距離，以盡能夠削減體系軟件本錢費。輸入功率GaN辦事支撐這類慎密的規格，由於它可以承當更高的結溫。為了更好地評定英飛凌硅基氮化鎵技巧性的任務本領，在雙層無機化學壓層基材上計劃計劃了一個單極DohertyPAM，其在3.4-3.6GHz頻率段的均值分配線形輸入功率為39dBm（圖8）。在Doherty計劃計劃中，鍵入數據旌旗燈號一分為二，各自進到“擔任人”和“峰管”縮小儀，在導出端依據90度移相器合路。切確測量規範：28V偏置電壓，單音數據旌旗燈號鍵入，室內溫度，切確測量了PAM的收獲和漏極高服從（DE）與功率的聯繫關係（圖9）。在39dBm的導出下，包括3dB的離開器、合路器和其餘微波感應器耗費，完成了10.5dB的輸入功率收獲。切確測量到的最高功率為47.5dBm。圖8單極Doherty PA框架圖。圖9單極Doherty PA的評測收獲（a）和DE（b）與輸出功率的聯繫關係。利用峰均之比7.5dB (經由過程削峰和過慮)、的5G NR分配波型，額外值射頻任務中輸入功率為39dBm，DE的第一個最高值在這里點周邊，以包管分配的DE與單音DE的起碼偏差。單音DE為52%到54%。硅基GaN PAM的機能與SiC基GaN所報告請示的機能特別很是。13-15利用頻譜儀在3.6GHz切確測量了含有分配數據旌旗燈號并利用數據預掉幀（DPD）的PAM的靜態性最高值輸入功率（圖10）。測出的頂值輸入功率為47.5dBm。該圖較為了有無DPD的分配AM-AM依靠感，註解DPD形成了優秀的線形頻率特徵。DPD使PAM回一化處置的任務本領表現了器件低最優操縱和電源電路及器件低記憶性。利用現在市道市情上的DPD模塊特別很是輕易完成回一化處置是器件技巧性和縮小儀計劃計劃的一個癥結特色。圖10含有3.6GHz分配數據旌旗燈號的Doherty PA的收獲與Pout，沒經DPD校訂的機能（深藍色）和DPD校訂后的機能（鮮白色）。該PAM的戶外應用是FDD和TDD通訊基站。由於3GPP的5G規范的多元性，傳送數據旌旗燈號的時候圖很有能夠特別很是複雜和不紀律，單標誌傳送是很有能夠的。熱、正電荷捕捉視頻收集帶寬選擇了PAM的信息回應，重要表示為在一個傳送子幀內緣標誌編碼序列的紛歧樣輸入功率和偏差矢量年夜小。為了解釋這一點，圖11繪制了一個傳輸序列的第一個符號的功率譜，表現了在FDD、夾雜和TDD形式下應用沒有歷久記憶模子的DPD的機能。Vc指的是箝位電壓或級外柵極偏壓。TDD形式的測量應用了以下調制旌旗燈號：3GPPD TM3.1a，1×20MHz信道、5G NR OFDM256-QAM、60kHz SCS和7.5dB PAR。圖11 在FDD和TDD形式下應用沒有歷久記憶模子的DPD測量的Doherty PA頻譜。趨向和挑釁跟著射頻發射功率的增長，熱治理變得加倍緊張。對于mMIMO AAS，有幾個熱治理方面的斟酌：1）體系過熱招致組件機能下落和歷久靠得住性下降，2）由于動力服從較低，運轉本錢較高，3）無線電體系的主動散熱。固然分立模塊可以經由過程較低的封裝密度供應更好的熱量治理，但它們會在較年夜的AAS產物中帶來BOM和PCB尺寸的瓶頸，必要體系集成商停止大批的計劃優化。操縱芯片厚度、應用得當的芯片銜接技巧和將PAM優越的焊接到PCB上是散熱的癥結。在肯定溫度范圍內堅持近乎恒定的輸入功率必要較小的計劃余量并發生較高的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相稱。更寬的瞬時帶寬和應用5GHz以上的頻段是別的兩個市場趨向，招致更多的GaN上集成PAM處理計劃。英飛凌的硅基氮化鎵技巧有本領停止MMIC集成，這帶來了偉大的利益，不只可以知足輸入功率規格，還可以戰勝級聯分立器件、晶體管寄生和鍵合線的寄見效應所帶來的機能限定，這平常會招致帶寬下降和能效下降。小結本文接頭了用于無線基本辦法的射頻硅基氮化鎵技巧的進展，該技巧進步了氮化鎵的性價比。經由多年的進展，該技巧已成熟，可以施展其潛力，在硅晶圓加工的基本上以較低的本錢供應與碳化硅基氮化鎵雷同的服從。硅基氮化鎵可以知足5G無線通訊體系的服從、線性化和功率密度請求。我們信賴這是一個漫長路程的開端，行業的進一步進展將把硅基氮化鎵的本領推向更高的頻率和更高的功率程度，有能夠擴大tha博弈到無線基本辦法之外的利用。
