5G半导体与天线技术解析

# 5G半导体与天线技术解析 ## 1. 5G半导体技术 ### 1.1 硅基技术 不同的硅基技术，如体CMOS、BiCMOS和SOI技术，在5G毫米波电路的实现中得到了广泛应用。尽管存在性能更好的III - V族半导体技术，但硅基技术仍将在5G毫米波电路设计中占据主导地位。其中，SOI技术克服了体CMOS工艺的两个重要限制：衬底的低电阻率和多晶硅栅极的高薄层电阻。不过，现有的用于低频操作的EDA工具中的硅器件模型不能直接用于构建毫米波电路。 ### 1.2 GaN及GaN - on - SiC宽带隙半导体 #### 1.2.1 GaN器件特性 GaN是一种极其稳定的化合物，也是一种直接带隙半导体，与Si和GaAs等材料相比，具有非常宽的带隙（3.4 eV）。它还是一种硬度高、熔点约为1700°C的材料，在大气压下，GaN晶体通常具有六方纤锌矿结构。这些特性使其在5G技术领域具有良好的应用前景，主要体现在以下几个方面： - **高耐压和抗辐射**：GaN晶体具有更强的化学键，能够承受比硅器件高许多倍的电场而不崩溃，因此具有高耐压特性。此外，由于其带隙宽度大，电子不易被激发到导带，干扰信号对器件的影响较小，所以具有抗辐射特性。这些特性使器件能够承受更高的电压，以发射更高功率的5G信号，并且其抗辐射性可以使信号远离其他干扰信号，使5G信号处于相对稳定的环境中，更准确地传输信息。 - **高频特性**：GaN的栅极电荷相对较低，在每个开关周期中需要补充的栅极电荷较少，因此更有可能实现高频状态。GaN能够在高达1 MHz的频率下工作而不损失效率，而其他材料（如硅）很难达到超过100 kHz的频率。此外，GaN具有强化学键和高负载能力，晶体管各电气端子之间的距离缩短，电子转换时间更短。而且，GaN导带底部位于Γ点，与导带其他能谷之间的能量差较大，不易产生谷间散射，电子漂移速率不易饱和。再加上GaN与AlGaN等半导体材料形成的异质结会形成具有高迁移率的二维电子气，使其电子器件具有更快的开关特性，这对于5G应用中的快速计算速度具有重要意义。 - **高工作温度**：由于GaN具有非常宽的带隙，在相同温度下，其本征激发比其他窄带隙半导体弱，因此其器件在信号传输中具有更高的信噪比。这使得GaN具有较高的工作温度，对于在高温条件下以更高功率运行的电路（如5G基站）具有重要意义。此外，GaN具有高导热性和出色的散热性能，尤其是与SiC衬底集成时，有利于其在高温条件下工作。 - **低能量损耗**：GaN具有较高的承压能级，晶体管各端子之间的距离可以设计得更短，从而实现更低的电阻损耗。此外，高迁移率和高载流子浓度也降低了电阻率，使电子器件获得低导通电阻，进一步降低了电阻能量损耗。这一特性可以减少5G信号传输时消耗的能量，实现低能耗、高功率信号发射的理念。 #### 1.2.2 GaN功率集成 5G架构采用多输入多输出（MIMO）和波束成形技术来定向信号功率，以提高空中数据速率。大规模MIMO波束成形需要为相控阵收发系统中的每个天线元件配备多个射频电路。因此，尺寸、成本和功率密度对于基站和手机架构来说都是至关重要的指标。虽然其他半导体技术由于成本、电池电压和射频功率要求等因素更适合用于手机，但GaN是基站部署的天然选择。通过不断努力使GaN适应更低的工作电压和更高的工作频率，可以开发出开关、低噪声放大器（LNA）和频率转换电路。最终，有可能将多个射频链集成到单个或多个GaN单片微波集成电路（MMIC）中。 - **GaN功率集成用于MMIC**：GaN集成可以实现硅功率无法达到的功率转换。越来越多的硅电子技术被应用于GaN集成中，专用的Si CMOS栅极驱动器可以与GaN进行三维封装或直接键合。不过，GaN集成应建立在一个稳定的平台上，该平台上的有源和无源组件需要经过良好的校准和建模，这样才能可靠地预测GaN功率集成电路的性能。随着离散GaN器件技术的快速发展，GaN功率集成也应同步更新。为了充分发挥GaN的理论性能，GaN功率集成应借鉴硅功率集成电路的发展路径，并加快发展速度。 - **GaN基站功率放大器（PA）**：在MIMO系统中，每个天线都由自己的PA驱动，因此在满足功率和线性度要求的同时，尽量减少小区间的差异非常重要。基于GaN的5G小基站PA的开发对于实现紧凑性、减轻重量和降低成本非常重要，同时还能保持高功率和高效率，便于部署。深入了解GaN的独特属性（如击穿电压、自热、俘获效应、场板设计和跨导形状）如何影响工作频率、功率、效率（PAE）、线性度（谐波、EVM、ACPR、IIP3、AM - AM、AM - PM）、耐用性和瞬态行为至关重要。GaN能够满足对高功率密度的需求，而现有的GaAs FET和Si LDMOS解决方案无法做到这一点，这需要使用动态直流和射频技术对高功率器件进行广泛的建模。 - **GaN频率合成**：相关技术也在不断发展中，为5G系统的频率管理提供支持。 #### 1.2.3 商用GaN代工服务 以下是一些商用GaN代工服务的信息： | 代工服务 | 分立器件 | 工艺 | 偏置 | 频率 | | --- | --- | --- | --- | --- | | 0.25 μm GaN - on - SiC | Y | 0.25 μm GaN - on - SiC | 28 – 40 V | 18 GHz, 30 GHz | | 0.40 μm GaN - on - SiC | | 0.40 μm GaN - on - SiC | 28 V, 50 V | 8 GHz | | 0.25 μm GaN - on - Si | N | 0.25 μm GaN - on - Si |