射频硅基氮化镓：两个世界的最佳选择（原载于《微波杂志》22年1/2月号）

Ismail Nasr, Infineon Technologies, Neubiberg, Germany

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 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的击穿电压。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。