功率放大器之战始于5G通讯

功率放大器之战始于5G通讯

不断发展的基站

当今的无线网络围绕着4G LTE标准发展，该标准的工作频率范围为450MHz至3.7GHz。4G快速但复杂。它由40多个频段以及2G和3G频段组成。

4G LTE网络由三部分组成-核心网络，无线电接入网络（RAN）和诸如智能手机之类的最终用户设备。核心网络由移动运营商运营，负责处理网络中的所有功能。

RAN由基站组成的巨型蜂窝塔组成。RAN基本上是一个中继系统，在给定区域中具有多个蜂窝塔。

基站本身由两个独立的系统组成，即建筑物基带单元（BBU）和远程无线电头（RRH）。位于地面上的BBU处理RF处理功能。它充当基站和核心网络之间的接口。

RRH位于手机信号塔的顶部，由三个左右的矩形盒子组成。天线单元位于塔的顶部。RRH处理RF信号的转换，而天线则发送和接收信号。

在RRH盒内，有一组芯片，由发射和接收链组成。简而言之，在该单元中接收数字信号。根据技术站点“所有射频”，它被转换为模拟信号，上变频为射频频率，经过放大，滤波然后通过天线发送出去。

“相对高端的LTE基站可能有四个发射机。研究公司Mobile Experts的分析师丹·麦克纳马拉（Dan McNamara）表示，在每座塔上，将有四个功率放大器发送信号以捕获并向客户发送数据。“在每个塔上，有三个。把它当作馅饼。就信号从塔架辐射出来的方式而言，每个人都处理一个特定的圆圈。因此，实际上有12个（发送器）。”

同时，运营商现在正在部署5G。与4G相比，5G承诺以更低的延迟10倍，更高的10倍的吞吐量和3倍的频谱效率提高来提供移动网络速度。ASE的研究员谢升智（Sheng-Chi Hsieh）在ECTC最近的一篇论文中解释说：“移动通信系统正在从4G迁移到5G 。”“新的无线电（NR）频段分布在两个定义的频率范围（FR）中，分别是FR1：450MHz至6GHz，FR2：24.25GHz至52.6GHz。可以通过三个方面来提高性能，分别是大规模物联网，低延迟和增强的移动宽带（eMBB），分别用于大规模连接，超高可靠性和低延迟以及容量增强。”

每个国家都有不同的5G战略。对于5G，中国使用3.5GHz作为频率。然后，5G基站类似于4G系统，但是规模更大。对于5G中低于6GHz的频段，假设您有一个宏基站。天线的功率范围为40瓦，80瓦或100瓦。

在RRH板上，您可以使用各种设备，例如功率放大器，低噪声放大器（LNA），收发器等。RF过程很复杂，需要几个步骤。“认为收发器是基带数字方面的东西。从该收发器出来的（信号）进入RF。通常，您具有某种类型的接收路径。对于我们来说，这是基于GaAs的。它也可以是基于硅的。Qorvo 5G基础设施客户总监James Nelson解释说。“在这种情况下，我们在接收端制作的许多模块都是双通道的。因此，您可以在顶部和底部看到两个功率放大器部分或发射部分。它们将是相同的，因为这是双通道。GaN发挥作用的是这些放大器模块。

宏基站和天线的演进。

5G在其他方面有所不同。代替4G中的12条传输链，5G中有32条或64条传输链。“ 5G的等效系统在每个无线电时间内将具有32或64个功率放大器，乘以3。这是需要的大量材料，”移动专家的McNamara说。

下一步是将部分或全部RRH集成到天线中。这些集成基站利用大规模MIMO天线系统。集成了微小的天线，大规模MIMO通过波束成形技术与用户进行通信。

同时，在美国，5G零散。一些电信公司正在使用28GHz的毫米波频率来部署更快版本的5G。如今，mmWave仅限于固定无线服务。这是一个充满挑战的利基市场。当运营商开始在3.7GHz频率上部署C频段技术时，美国将出现大规模5G部署。C波段的时间尚不清楚。

GaN与LDMOS通常，5G基站将合并用于更高频率的基于GaN的功率放大器。LDMOS也在低频段混用。

多年来，基站采用基于LDMOS晶体管技术的功率放大器芯片。LDMOS晶体管是类似于MOSFET的横向器件。它具有源极，栅极和漏极。

LDMOS与MOSFET略有不同。LDMOS技术供应商Ampleon表示：“源极通过P +漏极连接到晶圆的背面，从而使管芯的背面成为晶体管的源极连接。”恩智浦和其他公司也出售LDMOS产品。

LDMOS基于硅，可在200mm的晶圆厂中加工至0.14μm的几何尺寸。LDMOS晶体管用于为基站开发标准的Doherty功率放大器芯片。Doherty功率放大器架构具有两个放大器部分，可提高系统效率。

LDMOS仍在不断改进，但可以说它在2GHz以上的频率上遇到了麻烦。“从历史上看，您有900MHz的GSM，然后是1.8GHz和2.1GHz。这些是LDMOS主导的传统频段，” CreeWolfspeed部门射频产品副总裁兼总经理Gerhard Wolf说。“然后，您还将拥有2.69GHz的7和41频段，并且会更高。这是GaN发挥作用的时候。与LDMOS相比，GaN的效率在更高的频率下更好。在3.5GHz级别的GaN效率更高。”

GaN是一种宽带隙技术，指的是电子脱离其轨道所需的能量。GaN的带隙为3.4 eV，而硅为1.1 eV。

GaN器件比其他技术具有更好的性能，可处理更多功率。GaN还可以实现更高的瞬时带宽。这意味着系统中需要的放大器更少。

但是RF GaN比LDMOS更昂贵。线性度也是RF GaN的问题。这涉及功率放大器在不失真的情况下放大信号的能力。

尽管如此，GaN仍用于制造高电子迁移率晶体管（HEMT）。GaN是材料，而HEMT是器件结构。GaN HEMT是具有源极，栅极和漏极的横向器件。电流从源极流到漏极，并由栅极控制。

像LDMOS一样，RF GaN用于开发功率放大器芯片。例如，住友在最近的一篇论文中描述了基于GaN的宽带Doherty放大器的开发。两级放大器由一个用于载流子部分的GaN晶体管和两个用于峰化部分的晶体管组成。每个晶体管都有一对180瓦的GaN管芯。

氮化镓不是新的。它可以追溯到1970年代，当时RCA设计了基于GaN的LED。二十年前，美国资助了用于军事/航空应用的GaN开发。GaN还用于CATV放大器，LED和功率半导体。

2014年，随着GaN在其4G基站中加入了基于GaN的功率放大器，RF GaN市场开始腾飞。当时，LDMOS占据了主导地位，但是很快就改变了。“多年来，在最初的4G首次部署和部署中，LDMOS技术是主要技术，并且确实在市场上占据了主导地位，”恩智浦RF产品发布和全球分销经理Gavin Smith说。“快闪了几年。随着4G的开始下降，GaN技术开始被测试并用于下一代蜂窝基础设施。我们看到了技术需求和需求的这种转变，并开始改变齿轮，以通过LDMOS和GaN解决方案为5G部署做好准备。”

同时，华为和其他公司已经在中国安装5G基站。像4G一样，中国的OEM厂商也在拥抱基于GaN的功率放大器。其他基站OEM也在效仿。

“ LDMOS在5G FR1的高频段耗尽了精力。氮化镓上的碳化硅现在的选择，”百里林的CTO说Wavetek公司，III-V族代工厂，是部分UMC。由于其宽带隙，高迁移率和良好的导热性，RF GaN器件具有宽带应用的优势，这是5G通信的关键之一。GaN-on-SiC RF适用于48V Doherty放大器，以实现5G基站中大功率放大器的高效率，高耐用性。”

LDMOS不会消失。中国一些运营商正在部署低频5G频段。LDMOS可能在这里起作用。

然后，如果或者当该行业迁移到成熟的mmWave 5G网络时，运营商还可以部署一系列小型基站。小型蜂窝有几种技术在起作用。Lin说：“硅基GaN射频已被证明是28V或48V小型电池功率放大器的非常合适的候选产品。”“ GaN器件可以为未来的MMIC TRX和5G FR2应用中mmWave频段的功率放大器提供非常宽的带宽，高效率和低噪声性能。”

制作GaN第一波5G基站已经部署。现在，设备制造商正在开发新的基于GaN的功率放大器芯片，以期捕捉下一波5G基站部署浪潮。Cree，Fujitsu，三菱，NXP，Qorvo，Sumitomo等在RF GaN器件市场上竞争。“此外，在中美贸易战之后，许多中国公司正试图为5G基础设施内部开发GaN RF，而一些美国公司却失去了市场份额，” Yole分析师Ahmed Ben Slimane说。

在最近的IMS2020会议上，各个实体都发表了有关RF GaN下一步发展的论文。其中：

弗劳恩霍夫（Fraunhofer）展示了工作在200GHz以上的G波段GaN功率放大器。

恩智浦介绍了一种效率为65％的300W GaN功率放大器。

Qorvo披露了其最新的90nm GaN工艺。GaN晶体管的峰值PAE为51％。

HRL开发了PAE为75％的渐变沟道GaN HEMT。

RF GaN持续改进，但是相对昂贵。提高效率是另一个挑战。有时，GaN会遭受所谓的动态导通电阻的困扰。

作为回应，RF GaN供应商正在通过迁移到更大的晶圆尺寸，改善晶圆厂的工艺流程以及其他步骤来降低成本。

如上所述，GaN HEMT是具有源极，栅极和漏极的横向器件。据Qorvo称，门的长度决定了设备的速度。较小的门意味着设备更快。“电压与栅极长度成比例。当您选择较小的栅极几何形状时，您将无法摆动太多的电压，从而限制了您的功率能力。” Qorvo的纳尔逊（Nelson）说。

在RF GaN中，最先进的栅极长度是90nm。供应商主要销售栅长在0.15μm至0.5μm的RF GaN芯片。

每种技术都有自己的位置。“0.15μm是最先进的工艺之一。我们还有更高频率的过程，”尼尔森说。“对于3.5GHz基站，您不会使用0.15μm GaN工艺。功率电平和频率不需要那种几何形状。我们有一个0.5μm的工艺，该工艺可以达到65伏。雷达人员喜欢它。并非每个人都在向65伏特移动。然后，我们有另一个针对48伏特的过程，这对于基站来说很常见。然后，您将获得0.15μm的版本，它可以在28至20伏之间。”

尽管如此，在晶圆厂中，RF GaN工艺始于基板的开发。RF GAN的主要基板是SiC（GaN-on-SiC）。用于RF GaN的SiC衬底基于100mm晶圆，目前正在生产150mm。

SiC上的GaN具有其优点和缺点。它具有很高的热导率，但是SiC衬底在生产阶段容易出现缺陷。基板是昂贵的。

其他公司正在研究可在200mm晶圆厂中生产的硅衬底或硅上GaN。200mm可使每个晶片更多的管芯，从而降低制造成本。

Cree / Wolfspeed的首席技术官John Palmour说：“保守地说，95％的市场是碳化硅上的GaN。”“硅基氮化镓背后的想法是衬底便宜，但是硅的导热率是碳化硅的三分之一。消除热量要困难得多。为了弥补这一点，您必须使硅上氮化镓器件变大。您不会真正在成本上获胜。”

最终，每种技术都有自己的位置。Lam的Haynes说：“ SiC上的GaN将专注于最高功率和性能的应用，而硅上的GaN将解决对成本更敏感的应用。”“这是因为硅基氮化镓提供了与CMOS兼容的希望，利用更大的晶圆尺寸和更先进的晶圆制造技术的能力，以及氮化镓技术与其他解决方案在多芯片模块中的集成。”

无论衬底类型如何，下一步都是使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统在衬底上生长外延层。

首先，在衬底上生长缓冲层，然后是沟道层，然后是阻挡层。将电子从源极传输到漏极的通道基于GaN。

据Qorvo称，防止电子移动到衬底中的缓冲层是基于掺杂有碳或铁的GaN材料。势垒基于氮化铝镓（AlGaN），将栅极和沟道隔离。

Veeco产品营销高级经理Ronald Arif说：“顶层通常是一个薄的AlGaN层，在其下面覆盖了几微米厚的GaN层，以形成高速导电通道所需的2D电子气。”通过MOCVD生长SiC上的GaN是一个成熟的过程。由于成本和集成度的原因，该行业倾向于在硅衬底上生长GaN材料。但这在材料质量，均匀性和缺陷性方面提出了重大挑战。”

尽管如此，下一步是在器件顶部形成源极和漏极。然后，在结构上沉积一层氮化硅。

下一步是形成大门。在设备上，蚀刻系统蚀刻出一个小开口。金属沉积在开口中，形成栅极。

栅极蚀刻工艺有效。但是有时，该工艺可能会损坏GaN表面的底部和侧壁。

因此，供应商正在探索将原子层蚀刻（ALE）用于GaN的用途。ALE可以原子级去除材料，但这是一个缓慢的过程。因此，ALE可以与GaN的传统蚀刻工艺结合使用。

“这可能需要一套蚀刻工艺来解决GaN HEMT和MIMIC制造的独特挑战，” Lam的Haynes说。“其中包括使用ALE实现原子精确，超低损伤以及对GaN / AlGaN结构的高度选择性蚀刻。使用这种方法，我们证明了与传统的稳态蚀刻工艺和表面粗糙度（相当于沉积的外延膜）相比，蚀刻后GaN薄层电阻降低了2倍。这种改进直接影响到设备性能和可靠性的提高。”

最后，将基板减薄，并将底部金属化。据Qorvo称，在基板的顶部和底部之间形成了通孔，可降低电感。

结论同时，多年来，供应商一直在讨论将GaN用作智能手机的功率放大器。当今的电话将砷化镓（GaAs）工艺用于功率放大器。

GaN对于智能手机而言太昂贵了。另一方面，GaN在其他几个市场也越来越受欢迎，使其成为众多值得关注的技术之一。

喜欢此内容的人还喜欢