林 倩, 陳思維,*, 劉建利, 胡單輝, 賈立寧, 王曉政

(1.青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院,青海 西寧 810007;2.中興通訊股份有限公司,陜西 西安 710000)

0 引 言

近些年,隨著移動(dòng)手機(jī)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、無(wú)線局域網(wǎng)、精確制導(dǎo)、雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的飛速發(fā)展,電子通信設(shè)備的市場(chǎng)需求出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)。在此背景下,無(wú)線通信系統(tǒng)經(jīng)歷了一系列巨大變革。作為無(wú)線通信系統(tǒng)前端發(fā)射機(jī)關(guān)鍵部分的功率放大器(Power Amplifier,PA)也得到了快速發(fā)展。目前,在商業(yè)和軍事通信領(lǐng)域中PA扮演著舉足輕重的角色[1][2]。為了提升PA的性能,其核心元件的功率晶體管正朝著小體積、高增益、高效率和寬頻帶的方向不斷發(fā)展[2][3]。與此同時(shí),隨著功率晶體管體積不斷減小,PA芯片中互連線的尺寸也不可避免地縮小[4],上述發(fā)展趨勢(shì)使得PA的可靠性受到嚴(yán)重威脅。為了解決這個(gè)問(wèn)題,需要進(jìn)一步加強(qiáng)PA可靠性的研究。

基于近年來(lái)微波器件中PA及其可靠性研究趨勢(shì)少有人總結(jié)的背景,利用文獻(xiàn)檢索方法分析了微波器件中具代表性的PA及其可靠性的研究現(xiàn)狀,總結(jié)了PA及其可靠性的發(fā)展趨勢(shì)。為快速了解微波器件中PA及其可靠性的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)提供一定參考。

1 功率放大器文獻(xiàn)調(diào)研

作為無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵部件,PA的發(fā)展在一定程度上對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的變革有著重大意義。這里利用文獻(xiàn)檢索的方法對(duì)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)數(shù)據(jù)庫(kù)中PA相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了多種形式的統(tǒng)計(jì)分析,從而較全面的總結(jié)了PA的研究現(xiàn)狀并分析了其發(fā)展趨勢(shì)。

首先,為了解近年來(lái)PA行業(yè)發(fā)展的大致趨勢(shì),這里對(duì)2015年至2020年IEEE數(shù)據(jù)庫(kù)PA相關(guān)文獻(xiàn)的進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出,近五年P(guān)A期刊文獻(xiàn)數(shù)量呈線性穩(wěn)定增長(zhǎng),會(huì)議文獻(xiàn)數(shù)量則有所波動(dòng)。這是由于會(huì)議論文受環(huán)境因素影響較大,2020年受到全球COV-19疫情的影響,許多國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議不能正常召開(kāi),導(dǎo)致會(huì)議文章數(shù)量大幅減少。所以PA期刊文獻(xiàn)數(shù)量的穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)較客觀地反映了近年來(lái)PA行業(yè)發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力。

圖1 2015-2020年P(guān)A文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)圖

PA的強(qiáng)勁發(fā)展動(dòng)力離不開(kāi)商業(yè)利益的驅(qū)動(dòng),而PA的工作頻段的發(fā)展史既記錄了其應(yīng)用領(lǐng)域的具體變化、又側(cè)面反映了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展歷程。為反映PA商業(yè)發(fā)展的聚焦點(diǎn),這里對(duì)2002年至2020年IEEE數(shù)據(jù)庫(kù)中近400篇PA文獻(xiàn)的波段分布進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì),其結(jié)果如圖2所示。由圖可以看出從2015開(kāi)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),這是因?yàn)榍罢呤?G Sub-6GHz波段,后者一般為5G高頻毫米波(mm Wave)波段。這是由于近五年恰好為全球5G商業(yè)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展時(shí)期,截至2021年4月中旬,全球移動(dòng)供應(yīng)商協(xié)會(huì)在133個(gè)國(guó)家或地區(qū)確定了435個(gè)正在部署5G網(wǎng)絡(luò)或已宣布啟動(dòng)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商[5]。未來(lái),廣泛應(yīng)用于5G通信、軍事雷達(dá)等領(lǐng)域的微波和毫米波是今后PA發(fā)展的重要波段。

圖2 2002-2020年P(guān)A波段分布圖

通過(guò)上述對(duì)PA行業(yè)發(fā)展的簡(jiǎn)要介紹,可以看出PA行業(yè)的方興未艾。下面將詳細(xì)介紹PA半導(dǎo)體材料、功率晶體管、PA可靠性的研究現(xiàn)狀,進(jìn)而全面了解PA行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

1.1 功率放大器半導(dǎo)體材料文獻(xiàn)調(diào)研

半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)讓人類(lèi)控制電流傳輸成為了現(xiàn)實(shí),并被廣泛應(yīng)用與電子技術(shù)中。由各類(lèi)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的功率晶體管則是PA的核心部件,因此,半導(dǎo)體材料的特性直接決定了功率晶體管的性能,間接決定了PA的性能。這里通過(guò)對(duì)常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的物理特性進(jìn)行文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析,總結(jié)了目前半導(dǎo)體材料的研究現(xiàn)狀。

半導(dǎo)體材料的物理特性如表1所示。從中可以看出,SiC的擊穿電壓和最高工作溫度性能最好;Ga As的電子遷移率最高;Ga N的禁帶寬度和BFOM[6][7](反映了半導(dǎo)體材料導(dǎo)通功率損耗性能的優(yōu)劣)指數(shù)最好。因此,SiC常作為功率晶體管和單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)的襯底材料,用來(lái)增加器件絕緣度和散熱能力[6];Ga As常用于高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)的制造[3][7];Ga N常用于高頻率、高功率和高穩(wěn)定性PA的制造[6]。

表1 常用半導(dǎo)體材料的物理特性

2000年-2020年IEEE數(shù)據(jù)庫(kù)Ga As,Ga N,SOI,SiGe PA文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)如圖3所示。從中可以看出,Ga As,GaN,SOI,SiGe PA文獻(xiàn)數(shù)量均總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中,Ga As PA論文數(shù)量在2000年至2008年緩慢增長(zhǎng)、2008年-2017年有所降低、2018年至今緩慢上升。這反映了2000年-2008年有關(guān)Ga As PA的研究得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注,發(fā)展迅速。2009年以后,因其自身工藝的成熟飽和以及Ga N PA的快速發(fā)展,其研究熱度有所降低,但由于Ga As工藝成熟、性能優(yōu)良、成本較低的優(yōu)勢(shì)其文獻(xiàn)數(shù)量相對(duì)于SOI,SiGe PA依然較高。而且,GaN PA會(huì)議論文數(shù)量在2000年-2011年呈指數(shù)性增長(zhǎng),2012年-2017年緩慢增長(zhǎng),而2018年至今有所下降。但期刊論文數(shù)量自從2000年以來(lái)始終保持穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。上述趨勢(shì)表明,GaN因其卓越的物理性能吸引了全球PA研究人員的關(guān)注,GaN PA不斷升溫的研究熱度將為超高功率、超寬帶和高效率PA提供源源不斷的發(fā)展動(dòng)力。

圖3 2000-2020年Ga As、GaN、SOI、SiGe PA文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)圖

同時(shí),SOI PA文獻(xiàn)數(shù)量最少,從2012年至今其數(shù)量開(kāi)始穩(wěn)定增長(zhǎng)。這是因?yàn)殡S著集成電路的集成度的不斷提高,器件尺寸進(jìn)入亞微米范圍[11],SOI PA因其低成本、更好的介質(zhì)隔離度、更小的寄生電容等優(yōu)勢(shì),使得SOI PA成為未來(lái)高集成度PA研究的熱點(diǎn)。

此外,SiGe PA會(huì)議論文數(shù)量較少,值得注意的是在2000年后其文獻(xiàn)數(shù)量緩慢增長(zhǎng)。這是由于近年來(lái)隨著硅基工藝在高頻領(lǐng)域的不斷發(fā)展,其低成本、易于集成等優(yōu)勢(shì)使它在MMIC PA應(yīng)用中嶄露頭角,未來(lái)其研究熱度也會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。

綜上所述,GaN因其高功率密度、高擊穿電壓、高特征頻率等卓越物理特性,有望用來(lái)解決MMIC高集成度、高功率效率和高匹配電路損耗[13]等限制PA發(fā)展的問(wèn)題,從而受到PA和通信系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施等市場(chǎng)的青睞。同時(shí),Ga As因其高電子漂移速率、低成本以及成熟的半導(dǎo)體封裝工藝,在一定時(shí)期內(nèi)仍會(huì)占據(jù)PA應(yīng)用的部分市場(chǎng)。而以SOI,SiGe為代表的硅基工藝,雖然在擊穿電壓或電子遷移率等方面受限[14,15],但其低成本、較好的導(dǎo)熱性、易于集成等優(yōu)勢(shì),也將促使它們成為高集成度高頻率PA的研究熱點(diǎn)。

1.2 功率晶體管文獻(xiàn)調(diào)研

半導(dǎo)體材料是組成功率晶體管的基礎(chǔ),而功率晶體管作為現(xiàn)代電子設(shè)備的重要組成部分。自從1947年世界第一個(gè)雙極性晶體管(BJT在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明后)[3],電子研究領(lǐng)域發(fā)生了巨大變革,最終促使人類(lèi)文明進(jìn)入信息時(shí)代。功率晶體管在[2-10]幾十年的快速發(fā)展中,從最初體型碩大、性能和可靠性受限的金屬鍺雙極性晶體管[3],發(fā)展到目前被廣泛應(yīng)用于MMIC的高集成度、高工作頻率、高功率密度的GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)[12]。如今,功率晶體管的性能和應(yīng)用范圍較其發(fā)展初期具有質(zhì)的飛越,其發(fā)展歷程如圖4所示。未來(lái),隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展,性能優(yōu)越的功率晶體管將被廣泛應(yīng)用于高性能PA的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

圖4 功率晶體管發(fā)展歷程

功率晶體管的發(fā)展與半導(dǎo)體材料的發(fā)展密不可分,這里歸納并總結(jié)了功率晶體管和半導(dǎo)體材料關(guān)系,如圖5所示?？梢钥闯龉β示w管可分為以雙極結(jié)型晶體管(BJT),金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS),異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT),金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)為代表的第一代半導(dǎo)體功率晶體管;以異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT),金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET),變性高電子遷移率晶體管(m HEMT),贗配高電子晶體管(p HEMT),高電子遷移率晶體管(HEMT)為代表的第二代半導(dǎo)體功率晶體管;以高電子遷移率晶體管(HEMT)為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率晶體管。其中,異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)和金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)同為一二代半導(dǎo)體晶體管,高電子遷移率晶體管(HEMT)同為二三代半導(dǎo)體晶體管。

圖5 半導(dǎo)體材料與功率晶體管類(lèi)型的關(guān)系圖

1.3 功率放大器可靠性文獻(xiàn)調(diào)研

隨著半導(dǎo)體材料的不斷發(fā)展,功率晶體管體積不斷減小,PA芯片中互連線的尺寸也不可避免地縮小[4],這種變化使得PA的可靠性受到十分嚴(yán)重威脅。為了解決這個(gè)問(wèn)題,PA可靠性的研究逐漸變得十分迫切。PA可靠性文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)如圖6所示。從圖中可得,PA可靠性文獻(xiàn)的數(shù)量從20世紀(jì)呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。這反映了PA可靠性研究的國(guó)際關(guān)注度在不斷提高,眾多研究人員通過(guò)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議進(jìn)行了廣泛得交流合作,因此會(huì)議論文數(shù)量占多數(shù)。

圖6 1997-2020年P(guān)A可靠性文獻(xiàn)數(shù)量

2 功率放大器可靠性發(fā)展趨勢(shì)

隨著微波波段、毫米波段以及更高工作頻率PA應(yīng)用市場(chǎng)的持續(xù)擴(kuò)大,高功率密度、高工作頻率、高集成度的PA已經(jīng)成為迫切需求。然而,PA可靠性的不斷惡化,嚴(yán)重阻礙了PA的發(fā)展。因此如何進(jìn)一步提高PA可靠性是PA研究發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。這里通過(guò)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì),總結(jié)了PA可靠性研究的六個(gè)主要方向及其發(fā)展趨勢(shì)。

PA的可靠性反映了其正常工作的規(guī)范能力[16],而PA的每個(gè)組成部分都會(huì)影響其可靠性。根據(jù)PA電路結(jié)構(gòu)分布可將其可靠性研究簡(jiǎn)要分為六大類(lèi),分別是功率晶體管可靠性、互連可靠性、介質(zhì)可靠性、工藝可靠性、電路產(chǎn)品可靠性、靜電損傷(ESD)及閂鎖可靠性[4]。其中功率晶體管可靠性主要研究負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性、熱載流子注入、及其溫度可靠性等;互連可靠性主要研究Cu/Al互連電遷移、互連可靠性建模、芯片級(jí)互連可靠性、低K介質(zhì)等;介質(zhì)可靠性研究包括介質(zhì)損耗、時(shí)間相關(guān)介質(zhì)擊穿等;工藝可靠性主要研究工藝參數(shù)波動(dòng)、等離子體損傷及其引發(fā)的器件可靠性退化等;電路產(chǎn)品可靠性主要研究單粒子效應(yīng)(SEE),芯片老化、可靠性測(cè)試等;靜電損傷(ESD)及閂鎖可靠性主要研究靜電損傷、閂鎖可靠性及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)等[4-17]。

基于以上可靠性分類(lèi),這里統(tǒng)計(jì)了近20年IEEE數(shù)據(jù)庫(kù)PA可靠性分類(lèi)文獻(xiàn)分布情況,如圖7所示。從圖中可以看出,晶體管可靠性和互連可靠性文獻(xiàn)數(shù)量占據(jù)了PA可靠性文獻(xiàn)總數(shù)的近2/3,ESD,介質(zhì),工藝和電路可靠性問(wèn)題占1/3。也就是說(shuō)晶體管可靠性和互連可靠性是PA可靠性研究的重要組成部分,也是PA可靠性研究的重要方向。

圖7 2001-2020年P(guān)A可靠性分類(lèi)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)圖

2001年-2020年IEEE數(shù)據(jù)庫(kù)PA可靠性文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)如圖8所示。由圖可得,自2001年以來(lái)六類(lèi)可靠性文獻(xiàn)數(shù)量整體呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中,晶體管可靠性和互連可靠性文獻(xiàn)數(shù)量居多,并且2017年-2020年增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。由此可見(jiàn),PA可靠性研究的熱度將會(huì)持續(xù)升溫,其中晶體管可靠性和互連可靠性研究是其中兩個(gè)最重要方向。

圖8 2001-2020年P(guān)A可靠性分類(lèi)文獻(xiàn)分布統(tǒng)計(jì)圖

綜上所述,隨著電路集成度的增加和器件尺寸的縮小,電路內(nèi)部所產(chǎn)生的熱效應(yīng)、閾值電壓漂移、電子遷移和各種寄生參數(shù)會(huì)導(dǎo)致電路穩(wěn)定性下降,引起功率器件的性能退化甚至失效,同時(shí)互連尺寸的減小導(dǎo)致的互連短路/斷路會(huì)進(jìn)一步影響PA的性能。因此,PA的可靠性研究十分迫切,其中晶體管可靠性和互連可靠性成為PA可靠性研究的重要方面。

3 結(jié) 語(yǔ)

在微波器件及其可靠性研究趨勢(shì)少有人總結(jié)的背景下,以功率放大器為例,通過(guò)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)PA及其可靠性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。結(jié)果表明,在半導(dǎo)體材料激烈的角逐中,Ga N以其高功率密度、高擊穿電壓、高特征頻率等卓越物理特性成為業(yè)界PA研究的重點(diǎn);同時(shí)Ga As因其高電子漂移速率、較低的成本、成熟的半導(dǎo)體封裝工藝,在一定時(shí)期內(nèi)還會(huì)占據(jù)PA應(yīng)用的部分市場(chǎng);而以SOI,SiGe為代表的硅基工藝雖然在擊穿電壓或電子遷移率等方面受限,但其低成本、不斷提高的信號(hào)處理頻率、較好的導(dǎo)熱性和易于集成等優(yōu)勢(shì)將會(huì)成為高集成度、高頻率PA的又一重點(diǎn)研究方向。此外,PA的高射頻功率密度、高工作頻率、高集成度發(fā)展趨勢(shì)將為其可靠性提出十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),其中晶體管可靠性和互連可靠性成為PA可靠性研究的重要方向。本文為快速了解功率放大器及其可靠性的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)提供了一定參考。