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利用硅基氮化镓革新手机和Wi-Fi射频前端

Hal Emmer、Michael Guyonnet、Vincent Johnson，Finwave Semiconductor

过去30年间，所有无线网络的数据流量都在急剧增长。视频、社交网络、在线游戏，以及很快将出现的人工智能及其大量新应用，都推动了数据流量的增长。智能手机、基础设施网络（包括小蜂窝、Wi-Fi和固定无线接入(FWA)）都必须不断创新，才能保持领先地位。

在经历了三年的下滑之后，智能手机销量正在反弹¹，预计将在5G SA和5G Advanced的部署支持下实现增长。6G预计将于2030年前后推出，利用6至15GHz的新频段（称为FR3）。同时，随着6GHz频段的增加和其他支持更高数据速率的创新，Wi-Fi正在进入第七代。计划中的第八代将包括毫米波频段。预测称，到2027年，Wi-Fi 7将有望超过Wi-Fi 6。³

到2024年底，FWA数据流量占全球移动网络数据流量的25%，到2030年将翻两番。移动无线网络必须对用户的位置进行地理跟踪，而FWA则不同，它使用固定的用户驻地设备（CPE）向家庭或企业提供宽带互联网。当基站和CPE之间可以建立视线链路时，就可以通过使用高增益天线和更高功率放大器（PA）来克服28至39GHz FR2频段的复杂传播挑战。FR2频段的带宽可使FWA成为电缆和光纤网络的真正替代品。

虽然这些无线接入技术的需求和规格各不相同，但它们都有一个共同点：射频前端（RFFE）。射频前端设备位于射频收发器和天线之间，是负责发射和接收无线信号的关键部件。RFFE由几个关键部件组成，包括发射路径上的功率放大器和接收路径上的低噪声放大器(LNA)和开关。这些组件必须无缝协作，以确保高效的信号发射和接收，同时最大限度地降低功耗并保持信号完整性。在这些应用中，RFFE的平均输出功率在0.25至4W之间，峰值功率可达10W。这个范围的输出功率补偿了滤波器和开关的损耗，实际值取决于信号带宽、QAM调制、频率、干扰和其他因素。

在移动电话和Wi-Fi应用的最初20年中，砷化镓曾是功率放大器、开关和低噪声放大器的主流技术，但后来逐渐被绝缘体上硅（SOI）技术所取代。向SOI的转变主要发生在开关和LNA上，而PA则由GaAs HBT技术负责高功率、6GHz以下的应用，GaAs pHEMT技术负责6至40GHz范围内的低功率应用。然而，随着向更高频率的逐步转移，如FR3频段和Wi-Fi 7的应用对发射功率的要求相似或更高，GaAs HBT技术在功率效率方面正在出现不足，这对行业提出了明显的挑战。

5V增强型硅基氮化镓：强大的解决方案

在5V应用中，增强型硅基氮化镓因其独特的性能而成为砷化镓的理想替代品。Finwave的硅基氮化镓是在最先进的8英寸硅代工厂生产的，它利用高效的供应链来提供尖端技术。从性能和工艺控制的角度来看，8英寸工艺比6英寸工艺更具优势，此外，每个晶圆还能制造更多器件，从而降低成本。

主流的耗尽型（D-mode）氮化镓需要对负栅极电压与漏极电压进行偏置和排序，而增强型氮化镓则不同，它是"正常关断"的。这意味着器件需要正栅极电压才能开启，因此不需要与漏极电压排序。这样就不需要偏置控制器，从而大大简化了应用，减小了芯片尺寸，降低了成本。

硅基氮化镓相对于GaAs HBT的优势

随着Finwave开发出增强型硅基氮化镓工艺，一些优势已变得显而易见：

击穿电压更高：与砷化镓相比，氮化镓能承受更高的电压，因此更加坚固可靠。这对于处理信号波动和防止器件损坏非常重要。

更高频率下的增益和效率更高：GaN在高达40GHz的频率下仍能保持良好的功率效率。这对于支持移动和FWA（FR1至FR2和FR3）、Wi-Fi 7和Wi-Fi 8（2.4、5和6GHz，以及毫米波频段）的所有正在使用和拟议中的频段至关重要。

成本更低：得益于制造技术的进步，硅基氮化镓在成本上与砷化镓相比越来越具有竞争力。这使它成为手机制造商更经济实惠的选择。

集成：要达到更高的频率，就必须将开关、低噪声放大器和放大器集成在同一芯片上，以获得最佳性能。GaN HEMT具有高电子迁移率和低寄生电容，因此通常具有良好的噪声系数特性，这有助于降低噪声的产生。此外，在SPDT配置中，GaN HEMT还具有极快的开关速度和较低的插入损耗。

Finwave的增强型射频晶体管技术充分发挥了硅基氮化镓的优势，展示了该技术满足不断变化的市场需求的能力。该技术在200毫米硅基氮化镓晶圆上采用CMOS兼容工艺制造，目前正转移到Global Foundries，利用其位于佛蒙特州伯灵顿的工厂进行批量生产。Finwave的专有方法具有多项创新，从而实现了创纪录的性能和出色的可制造性，其中包括具有进一步提高源电阻结构的再生N++电阻触点，以及可实现高重复性和高均匀性制造工艺的蚀刻-停止外延结构。

出色的接触电阻和源电阻

Finwave的射频器件采用重新生长的重掺杂触点，以实现出色的接触电阻。图1a显示了在200毫米硅基氮化镓晶圆上用传递长度法(TLM)测量接触电阻的晶圆图。接触电阻中值为0.126 Ohm-mm，跨晶圆标准偏差为10%。图1b显示了在200毫米硅基氮化镓晶圆上进行的薄层电阻TLM测量。

与标准氮化镓器件结构相比，除了低接触电阻外，还采用专有方法将源电阻进一步降低了约50%。源电阻是影响射频晶体管性能的关键器件参数，射频晶体管用于RFFE的各个部分。除了对导通电阻（R_ds-on）的简单贡献外，源电阻在晶体管用作放大器时还起着反馈电阻的作用。其结果是，在线性区域，有效跨导（g_m）按等式1所示的系数减小：

其中：g_me是有效g_m；g_mi是器件固有的跨导（如果源电阻降至0，g_m的理论最大值）

图2显示了源电阻减小的Finwave器件和标准器件的跨导g_m与V_gs的比较。如图所示，具有较低源电阻的器件的g_m峰值为760mS/mm，而具有较高源电阻的标准器件的g_m峰值为620mS/mm。小信号射频测量结果表明，具有较低源电阻和较高跨导的器件的射频增益在5至8.5GHz之间高出约0.5dB，在8.5至24GHz之间高出1dB以上。

当配置为开关时，低接触电阻和源电阻/漏电阻会直接影响R_on*C_off的优越性。虽然这里没有详细介绍，但使用Finwave工艺进行的初步开关设计得出了140飞秒的优越性，优于砷化镓的典型值，并接近SOI所达到的值⁴。最后，这种射频开关是采用针对放大器晶体管进行优化的工艺制造的，有可能用于完全集成的RFFE。在针对射频开关进行优化的工艺中，这一优点可能会得到改善。

蚀刻-停止技术

图3显示了250nm L_g和栅极电介质界面的TEM图像以及晶体管结构。Finwave的硅基氮化镓外延晶圆含有蚀刻-停止层，有助于以高度可重现的方式形成增强型沟道和电阻触点。为了实现晶体管的目标特性，与传统方法依赖严格控制蚀刻速率和时间以在AlGaN势垒层中蚀刻特定深度不同，沟道蚀刻能够以可控方式终止于蚀刻-停止层。通过使用对蚀刻-停止层具有选择性的蚀刻工艺来去除栅极区上的氮化镓盖层，我们可以实现低损伤栅极凹槽和高迁移率沟道。此外，我们还实现了出色的跨晶圆一致性，包括导通电阻标准偏差仅为3%，阈值电压低于100mV。

器件可靠性

可靠性是硅基氮化镓MISHEMT器件面临的一项挑战。其中一个关键问题是栅极电介质的可靠性及其对偏置温度不稳定性（BTI）的影响。栅极电介质块体材料内的缺陷和半导体-电介质界面上的缺陷都能捕获电荷，从而导致V_th、R_on和其他器件参数的偏移⁵。在150℃、V_g=1V、V_d=0V条件下进行的10,000秒高温栅极偏置(HTGB)应力测试表明，所有器件参数的变化都很小，V_th变化小于50mV，R_on变化小于0.2%。这种一流的可靠性能是通过采用高质量电介质和低缺陷界面，最大限度地减少栅极区深阱的影响而实现的。这对于我们的技术能够在各种射频应用的整个生命周期内稳定运行至关重要。

器件测量结果

图4a显示了600ns脉冲IV下的直流测量结果。图4b显示了同一场效应晶体管在V_ds=50mA和5V条件下的阈值下I_d-V_gs测量值，以及在V_ds=5V条件下的跨导测量值。图4c显示了FET在不同V_gs偏置电压下的击穿电压测量值。破坏性击穿发生在30V左右。所有这些器件都是双指射频晶体管，源极到漏极的距离（L_sd）为700nm，栅极长度（L_g）为250nm，每指宽度（W_g）为50µm。这些晶体管采用标准CMOS兼容工艺和材料制造，包括钝化和栅极电介质，以及栅极、电阻和互连金属层。

该增强型场效应晶体管的膝点电压V_knee约为1V，导通电阻R_on为0.8至0.9 Ohm-mm，峰值跨导g_m为760mS/mm，阈值电压V_th约为0.15V。脉冲IV测量结果表明，该器件具有出色的动态性能，陷波极小，V_knee附近的电流塌缩小于10%。该器件的阈值下摆幅为80mV/dec，DIBL为40mV/V，可以忽略不计，这表明MIS接口的接口态密度非常低。

在同一器件上测量了V_gs=-1、-2和-3V时的直流击穿电压。在V_gs=-1和-2V时观察到漏极至源极击穿，从而产生非破坏性软击穿行为。破坏性击穿发生在V_ds=30V和V_gs=-3V时，由栅极电介质反向击穿引起，导致栅极漏电永久性增加。晶体管的关态漏电流通常小于1μA/mm，比传统的肖特基栅耗尽型氮化镓场效应晶体管低几个数量级⁶。

射频特性

图5a显示了F_t和F_max与I_d的函数关系。图5b显示了I_d=300mA/mm和V_ds=5V时射频增益与频率的关系。这些小信号测量是在用于直流测量的相同2×50µm、L_g=0.25µm FET上进行的。结果表明，提取的F_t通常在60至65GHz之间，而F_max则在100至110GHz之间。F_max受限于薄铝栅极金属相对较高的栅极电阻，而这可以通过标准CMOS后端处理（如铜基互连）得到改善。

对2×50µm、L_g=0.25µm的场效应晶体管进行了8、13和26GHz的大信号负载牵引测量，覆盖了FR3频段。图6a显示了V_dd=5V时8、13和26GHz的功率传递增益和PAE与P_out的关系。图6b显示了8GHz时V_dd为1至5V的负载牵引，图6c显示了8GHz AM-PM在1.5度以内，AM-AM在3.5dB以内，V_dd为2至5V。

基频的源阻抗和负载阻抗均调谐为最大PAE，而二次谐波和三次谐波的阻抗均设置为50欧姆。场效应晶体管在8GHz和13GHz时的功率传递增益分别为16dB和14dB，PAE分别为62%和56%。在26GHz时，由于受到相对较大的L_g和栅极电阻的限制，增益和PAE分别降至9dB和45%。通过将L_g和W_g分别减小到220nm和2×20µm，高频性能得到改善，在26GHz时增益为12dB，PAE为51%。

由于该器件的R_on和V_knee较低，因此可以在低V_dd下工作，这在包络跟踪应用中非常重要。在V_dd从1到5V的阶跃范围内进行了负载牵引测量，并确定在V_dd为5V时的恒定阻抗为最佳。当V_dd降低到2V时，增益和PAE仍保持较高水平，分别超过13dB和50%。该器件在此工作范围内还表现出良好的线性度，在V_dd为2至5V时，AM-AM压缩高达3.5dB，AM-PM在1.5度以内。

GaN FET的直流击穿电压大于20V，能够在高于5V的V_dd下工作。例如，V_dd=8V时的测量结果显示，8GHz时的增益为17dB，PAE为60%，P_out为21dBm。由此产生的超过1.25W/mm的功率密度表明，在更高的V_dd和功率密度条件下，氮化镓比砷化镓更具优势。

高直流击穿电压和软击穿特性使器件在次优射频条件下具有出色的稳健性。VSWR为10:1、V_dd=5V时进行了应力测试。该器件在|Γ|=0.9的负载下围绕史密斯图移动了30分钟。经过一段冷却时间后，大信号测量结果显示器件性能没有变化。

宽带调制信号的线性度

在功率放大器必须满足的众多规格中，线性度是确保符合3GPP标准的最关键因素。⁷通过使用混合信号有源负载牵引系统，信号源和负载的基带和基带阻抗得到了匹配，从而实现了最佳线性度和效率。图7a显示了测得的误差矢量幅度（EVM），图7b显示了相邻信道泄漏比（ACLR）。这两项测量都是使用带宽为100MHz、PAPR为7.5dB的5G 64-QAM调制信号进行的。3GPP规范目标值在图中用虚线表示。这些测量结果表明，Finwave的MISHEMT增强型硅基氮化镓器件在I_dq值介于50至150mA/mm之间时，线性度可超过规范要求。针对基带去耦进行优化的器件有望进一步改进。

结论

随着无线通信市场对更高频率、更高功率器件的需求不断增加，以满足日益增多的高带宽应用，因此需要采用新技术来实现高性能和低成本之间的适当平衡，以满足这些需求。Finwave的CMOS兼容200毫米硅基氮化镓工艺可应对这些挑战。通过使用现有的硅代工厂，该技术可以快速扩展，以满足手机市场对快速生产周期和大批量生产的要求。最后，Finwave的多功能技术可以生产RFFE所需的不同组件。因此，该技术可用于制造高度集成、高性能、紧凑型和高效益的RFFE模块。

参考文献

见：www.microwavejournal.com/articles/43639

图1：接触电阻Rc（a）和薄层电阻Rsh（b）的晶圆图。

图2：跨导与V_gs的关系。

图3：晶体管结构和栅极介质界面的TEM。

图4：2x50μm、L_g=0.25μm FET的直流测量。

图5：小信号场效应晶体管测量。

图6：大信号场效应晶体管测量。

图7：三种不同I_dq偏置电流下的EVM（a）和ACPR（b）。