微波器件及其可靠性趋势探究-以功率放大器为例①

林 倩, 陈思维,*, 刘建利, 胡单辉, 贾立宁, 王晓政

(1.青海民族大学物理与电子信息工程学院,青海 西宁 810007;2.中兴通讯股份有限公司,陕西 西安 710000)

0 引 言

近些年,随着移动手机、全球定位系统(GPS)、无线局域网、精确制导、雷达和电子战系统的飞速发展,电子通信设备的市场需求出现了快速增长。在此背景下,无线通信系统经历了一系列巨大变革。作为无线通信系统前端发射机关键部分的功率放大器(Power Amplifier,PA)也得到了快速发展。目前,在商业和军事通信领域中PA扮演着举足轻重的角色[1][2]。为了提升PA的性能,其核心元件的功率晶体管正朝着小体积、高增益、高效率和宽频带的方向不断发展[2][3]。与此同时,随着功率晶体管体积不断减小,PA芯片中互连线的尺寸也不可避免地缩小[4],上述发展趋势使得PA的可靠性受到严重威胁。为了解决这个问题,需要进一步加强PA可靠性的研究。

基于近年来微波器件中PA及其可靠性研究趋势少有人总结的背景,利用文献检索方法分析了微波器件中具代表性的PA及其可靠性的研究现状,总结了PA及其可靠性的发展趋势。为快速了解微波器件中PA及其可靠性的研究现状和发展趋势提供一定参考。

1 功率放大器文献调研

作为无线通信系统发射机的关键部件,PA的发展在一定程度上对无线通信系统的变革有着重大意义。这里利用文献检索的方法对电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)数据库中PA相关文献进行了多种形式的统计分析,从而较全面的总结了PA的研究现状并分析了其发展趋势。

首先,为了解近年来PA行业发展的大致趋势,这里对2015年至2020年IEEE数据库PA相关文献的进行了统计,结果如图1所示。从图中可以看出,近五年PA期刊文献数量呈线性稳定增长,会议文献数量则有所波动。这是由于会议论文受环境因素影响较大,2020年受到全球COV-19疫情的影响,许多国际学术会议不能正常召开,导致会议文章数量大幅减少。所以PA期刊文献数量的稳定增长趋势较客观地反映了近年来PA行业发展的强劲动力。

图1 2015-2020年PA文献统计图

PA的强劲发展动力离不开商业利益的驱动,而PA的工作频段的发展史既记录了其应用领域的具体变化、又侧面反映了整个行业的发展历程。为反映PA商业发展的聚焦点,这里对2002年至2020年IEEE数据库中近400篇PA文献的波段分布进行了详细统计,其结果如图2所示。由图可以看出从2015开始PA的工作波段主要集中在L-C波段(f:1-8GHz,λ:10-1cm厘米波)和XKa波段(f:12.5-40GHz,λ:10-1mm毫米波),这是因为前者是5G Sub-6GHz波段,后者一般为5G高频毫米波(mm Wave)波段。这是由于近五年恰好为全球5G商业应用的蓬勃发展时期,截至2021年4月中旬,全球移动供应商协会在133个国家或地区确定了435个正在部署5G网络或已宣布启动服务运营商[5]。未来,广泛应用于5G通信、军事雷达等领域的微波和毫米波是今后PA发展的重要波段。

图2 2002-2020年PA波段分布图

通过上述对PA行业发展的简要介绍,可以看出PA行业的方兴未艾。下面将详细介绍PA半导体材料、功率晶体管、PA可靠性的研究现状,进而全面了解PA行业的发展趋势

1.1 功率放大器半导体材料文献调研

半导体材料的出现让人类控制电流传输成为了现实,并被广泛应用与电子技术中。由各类半导体材料构成的功率晶体管则是PA的核心部件,因此,半导体材料的特性直接决定了功率晶体管的性能,间接决定了PA的性能。这里通过对常见半导体材料的物理特性进行文献统计分析,总结了目前半导体材料的研究现状。

半导体材料的物理特性如表1所示。从中可以看出,SiC的击穿电压和最高工作温度性能最好;Ga As的电子迁移率最高;Ga N的禁带宽度和BFOM[6][7](反映了半导体材料导通功率损耗性能的优劣)指数最好。因此,SiC常作为功率晶体管和单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)的衬底材料,用来增加器件绝缘度和散热能力[6];Ga As常用于高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)的制造[3][7];Ga N常用于高频率、高功率和高稳定性PA的制造[6]。

表1 常用半导体材料的物理特性

2000年-2020年IEEE数据库Ga As,Ga N,SOI,SiGe PA文献统计如图3所示。从中可以看出,Ga As,GaN,SOI,SiGe PA文献数量均总体呈增长趋势。其中,Ga As PA论文数量在2000年至2008年缓慢增长、2008年-2017年有所降低、2018年至今缓慢上升。这反映了2000年-2008年有关Ga As PA的研究得到了业界的广泛关注,发展迅速。2009年以后,因其自身工艺的成熟饱和以及Ga N PA的快速发展,其研究热度有所降低,但由于Ga As工艺成熟、性能优良、成本较低的优势其文献数量相对于SOI,SiGe PA依然较高。而且,GaN PA会议论文数量在2000年-2011年呈指数性增长,2012年-2017年缓慢增长,而2018年至今有所下降。但期刊论文数量自从2000年以来始终保持稳定增长态势。上述趋势表明,GaN因其卓越的物理性能吸引了全球PA研究人员的关注,GaN PA不断升温的研究热度将为超高功率、超宽带和高效率PA提供源源不断的发展动力。

图3 2000-2020年Ga As、GaN、SOI、SiGe PA文献统计图

同时,SOI PA文献数量最少,从2012年至今其数量开始稳定增长。这是因为随着集成电路的集成度的不断提高,器件尺寸进入亚微米范围[11],SOI PA因其低成本、更好的介质隔离度、更小的寄生电容等优势,使得SOI PA成为未来高集成度PA研究的热点。

此外,SiGe PA会议论文数量较少,值得注意的是在2000年后其文献数量缓慢增长。这是由于近年来随着硅基工艺在高频领域的不断发展,其低成本、易于集成等优势使它在MMIC PA应用中崭露头角,未来其研究热度也会持续增长。

综上所述,GaN因其高功率密度、高击穿电压、高特征频率等卓越物理特性,有望用来解决MMIC高集成度、高功率效率和高匹配电路损耗[13]等限制PA发展的问题,从而受到PA和通信系统基础设施等市场的青睐。同时,Ga As因其高电子漂移速率、低成本以及成熟的半导体封装工艺,在一定时期内仍会占据PA应用的部分市场。而以SOI,SiGe为代表的硅基工艺,虽然在击穿电压或电子迁移率等方面受限[14,15],但其低成本、较好的导热性、易于集成等优势,也将促使它们成为高集成度高频率PA的研究热点。

1.2 功率晶体管文献调研

半导体材料是组成功率晶体管的基础,而功率晶体管作为现代电子设备的重要组成部分。自从1947年世界第一个双极性晶体管(BJT在美国贝尔实验室发明后)[3],电子研究领域发生了巨大变革,最终促使人类文明进入信息时代。功率晶体管在[2-10]几十年的快速发展中,从最初体型硕大、性能和可靠性受限的金属锗双极性晶体管[3],发展到目前被广泛应用于MMIC的高集成度、高工作频率、高功率密度的GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)[12]。如今,功率晶体管的性能和应用范围较其发展初期具有质的飞越,其发展历程如图4所示。未来,随着半导体技术的快速发展,性能优越的功率晶体管将被广泛应用于高性能PA的设计与开发。

图4 功率晶体管发展历程

功率晶体管的发展与半导体材料的发展密不可分,这里归纳并总结了功率晶体管和半导体材料关系,如图5所示。可以看出功率晶体管可分为以双极结型晶体管(BJT),金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS),异质结双极型晶体管(HBT),金属半导体场效应晶体管(MESFET)为代表的第一代半导体功率晶体管;以异质结双极型晶体管(HBT),金属半导体场效应晶体管(MESFET),变性高电子迁移率晶体管(m HEMT),赝配高电子晶体管(p HEMT),高电子迁移率晶体管(HEMT)为代表的第二代半导体功率晶体管;以高电子迁移率晶体管(HEMT)为代表的第三代宽禁带半导体功率晶体管。其中,异质结双极型晶体管(HBT)和金属半导体场效应晶体管(MESFET)同为一二代半导体晶体管,高电子迁移率晶体管(HEMT)同为二三代半导体晶体管。

图5 半导体材料与功率晶体管类型的关系图

1.3 功率放大器可靠性文献调研

随着半导体材料的不断发展,功率晶体管体积不断减小,PA芯片中互连线的尺寸也不可避免地缩小[4],这种变化使得PA的可靠性受到十分严重威胁。为了解决这个问题,PA可靠性的研究逐渐变得十分迫切。PA可靠性文献统计如图6所示。从图中可得,PA可靠性文献的数量从20世纪呈快速增长趋势。这反映了PA可靠性研究的国际关注度在不断提高,众多研究人员通过国际学术会议进行了广泛得交流合作,因此会议论文数量占多数。

图6 1997-2020年PA可靠性文献数量

2 功率放大器可靠性发展趋势

随着微波波段、毫米波段以及更高工作频率PA应用市场的持续扩大,高功率密度、高工作频率、高集成度的PA已经成为迫切需求。然而,PA可靠性的不断恶化,严重阻碍了PA的发展。因此如何进一步提高PA可靠性是PA研究发展的一个重要问题。这里通过文献统计,总结了PA可靠性研究的六个主要方向及其发展趋势。

PA的可靠性反映了其正常工作的规范能力[16],而PA的每个组成部分都会影响其可靠性。根据PA电路结构分布可将其可靠性研究简要分为六大类,分别是功率晶体管可靠性、互连可靠性、介质可靠性、工艺可靠性、电路产品可靠性、静电损伤(ESD)及闩锁可靠性[4]。其中功率晶体管可靠性主要研究负偏置温度不稳定性、热载流子注入、及其温度可靠性等;互连可靠性主要研究Cu/Al互连电迁移、互连可靠性建模、芯片级互连可靠性、低K介质等;介质可靠性研究包括介质损耗、时间相关介质击穿等;工艺可靠性主要研究工艺参数波动、等离子体损伤及其引发的器件可靠性退化等;电路产品可靠性主要研究单粒子效应(SEE),芯片老化、可靠性测试等;静电损伤(ESD)及闩锁可靠性主要研究静电损伤、闩锁可靠性及保护电路的设计等[4-17]。

基于以上可靠性分类,这里统计了近20年IEEE数据库PA可靠性分类文献分布情况,如图7所示。从图中可以看出,晶体管可靠性和互连可靠性文献数量占据了PA可靠性文献总数的近2/3,ESD,介质,工艺和电路可靠性问题占1/3。也就是说晶体管可靠性和互连可靠性是PA可靠性研究的重要组成部分,也是PA可靠性研究的重要方向。

图7 2001-2020年PA可靠性分类文献统计图

2001年-2020年IEEE数据库PA可靠性文献的统计如图8所示。由图可得,自2001年以来六类可靠性文献数量整体呈稳定增长趋势。其中,晶体管可靠性和互连可靠性文献数量居多,并且2017年-2020年增长趋势明显。由此可见,PA可靠性研究的热度将会持续升温,其中晶体管可靠性和互连可靠性研究是其中两个最重要方向。

图8 2001-2020年PA可靠性分类文献分布统计图

综上所述,随着电路集成度的增加和器件尺寸的缩小,电路内部所产生的热效应、阈值电压漂移、电子迁移和各种寄生参数会导致电路稳定性下降,引起功率器件的性能退化甚至失效,同时互连尺寸的减小导致的互连短路/断路会进一步影响PA的性能。因此,PA的可靠性研究十分迫切,其中晶体管可靠性和互连可靠性成为PA可靠性研究的重要方面。

3 结 语

在微波器件及其可靠性研究趋势少有人总结的背景下,以功率放大器为例,通过文献统计的方法对PA及其可靠性的研究现状进行分析。结果表明,在半导体材料激烈的角逐中,Ga N以其高功率密度、高击穿电压、高特征频率等卓越物理特性成为业界PA研究的重点;同时Ga As因其高电子漂移速率、较低的成本、成熟的半导体封装工艺,在一定时期内还会占据PA应用的部分市场;而以SOI,SiGe为代表的硅基工艺虽然在击穿电压或电子迁移率等方面受限,但其低成本、不断提高的信号处理频率、较好的导热性和易于集成等优势将会成为高集成度、高频率PA的又一重点研究方向。此外,PA的高射频功率密度、高工作频率、高集成度发展趋势将为其可靠性提出十分严峻的挑战,其中晶体管可靠性和互连可靠性成为PA可靠性研究的重要方向。本文为快速了解功率放大器及其可靠性的研究现状和发展趋势提供了一定参考。