5G Power Amplifier Design and Modeling for mmWave GaN Devices

Valeria Brunel and Eric Leclerc, UMS, France；

David Vye, AWR Group, National Instruments, El Segundo, Calif.

(注：点此阅读包含图的全文）

先进的半导体技术在5G和卫星通信的射频和微波应用发展中发挥着重要作用，下一代系统正朝着毫米波频段发展。支持这些半导体技术的流程设计和实用模型对于设计人员成功开发产品至关重要。因此，提供MMIC和RFIC设计解决方案的EDA软件供应商必须与领先的代工厂密切合作，以确保其产品能提供更高的集成度和更高的性能，同时降低成本和尺寸。

本文重点介绍III-V族宽禁带半导体器件建模技术，特别是新一代通信和防御系统中应用于毫米波功率放大器（PA）的United Monolithic Semiconductors（UMS）公司的GH25（0.25μm栅极长度）SiC基GaN工艺。通过使用GH25工艺设计套件（PDK）开发的多种设计的仿真和测量结果验证模型精度，PDK作为开发框架，将指导未来的工作，以支持不断发展的工艺技术，如目前处于认证阶段的GH15 0.15μm SiC基GaN工艺。诸如此类的工艺非常适合5G应用，如Ka频段（29.5至36GHz）10W的PA，以及用GaAs工艺将SiC基GaN PA和其他RF功能集成在一起实现的2W前端模块（24至30GHz）。

GaN技术和建模挑战

短栅极的GaN器件已经证明了其作为毫米波PA的优异性能。这些GaN晶体管具有更高的工作电压和更低的器件寄生效应，与GaAs相比具有更高的输出功率密度、更宽的带宽和更高的DC到RF效率。为了利用这种更强的性能，设计人员需要一种可扩展的模型，能够在电路仿真过程中准确地捕获器件的复杂行为。GaN器件中的捕获和热分析代表了晶体管建模的真正挑战。

在仿真中可以通过各种方法表示器件，包括物理模型、行为模型和紧凑模型。物理模型结合了器件的物理方面来预测性能，但对于电路仿真而言过于复杂。行为模型通常用于在系统仿真中表征整个无线电模块，但不能提供必要的细节来支持实际的放大器设计工作。

紧凑型模型基于曲线拟合，使用能够最佳拟合测量数据的函数和参数值，例如脉冲I/V和S参数。为获得可靠的电路仿真结果，模型在整个工作范围内精确复制晶体管响应至关重要。这些经验模型中的参数没有基本依据，但模型方程的物理一致性，是保证在模型表征范围之外获得用于设计的良好模型外推的必要条件。

技术/器件开发与器件建模工作之间必然存在很强的联系。表征和建模方法需要通过完善的工艺/模型鉴定程序进行验证，该程序已被证明可为代工厂的半导体工艺提供可靠的器件模型（如图1所示）。对于GaN器件，开发GaAs技术的诀窍和背景在许多情况下指导了当前的模型开发工作。已建立的低频GaN工艺也有助于推进最新短栅极器件的建模。考虑陷阱和晶体管自热现象¹需要提取非线性模型。除了电气特性外，UMS建模团队还对器件热行为和其他非平稳效应进行了全面研究，以提高其非线性器件建模的质量。

图1：包含测量、模型提取和验证的有源器件建模的主要步骤

该拟合过程和特征数据可用于使用如NI AWR设计平台进行晶体管模型的开发，可以预测当这些器件嵌入匹配/偏置网络并被RF信号激发时的整体MMIC行为。模型组合成了支持Microwave Office电路设计软件的PDK，具有电气和物理布局信息，能够使用GaN或GaAs工艺设计MMIC。

模型/PDK开发

表征有源器件以开发可扩展的晶体管模型是开发工艺设计套件中最重要的步骤。可扩展的模型允许设计者改变器件的外围（栅极宽度和栅极指针（gate finger）的数量）以获得所需的性能。一个挑战是在所需的栅极外围和操作条件范围内精确地开发模型。

器件建模过程通过测量获得器件特性，以及通过如图1所示的器件和电路级仿真进行验证。代工厂还提供一系列专用于多种用途的型号。例如，考虑到0.25μm技术，支持低噪声放大器（LNA）设计的可扩展线性模型包括10至20V漏极偏置的噪声特性。用于高功率应用可扩展的非线性热模型，具有中到大的栅极外围，提供超过10至30V漏极偏置的电热模型精度。专用于开关应用的非线性冷模型具有2种拓扑结构（串联和并联），具有适用于各种栅极电压的模型精度。

模型提取

紧凑型晶体管模型的典型等效电路如图2所示。该模型包括外在线性参数和内在非线性参数。首先，提取晶体管的外部寄生元件（R、L和C），以便使用准确的方程将S参数数据反嵌入内部参考平面并提取内部参数（C_gs、C_gd、G_m、G_d、C_ds、R_i、T_au、R_gd）。寄生元件的精确提取基于冷场效应晶体管（FET）S参数测量（V_ds=0）和器件的电磁（EM）仿真电数据。

图2：具有外在寄生效应的等效电路模型中的非线性源

下一步是确定内在元素的值。对于GaN器件，主要的非线性是漏极-源极电流以及栅极-源极和栅极-漏极电容，以及输入肖特基二极管行为。

高电子迁移率晶体管（HEMT）会受到捕获现象的影响。陷阱是半导体中限制空穴移动的位置，主要是由于GaN材料中的晶体缺陷，如晶格中的杂质和表面或界面处的悬空键，如图3所示。这些缺陷在半导体的带隙内产生陷阱中心²。陷阱的寄生电荷影响在GaN基晶体管中二维电子气通道³的密度。

图3：宽禁带半导体中陷阱中心的位置

已经观察到铝GaN（AlGaN）/GaN HEMT中的各种捕获效应，包括跨导频率色散、电流崩塌、栅极和漏极滞后瞬变以及受限的微波功率输出。主要漏极滞后效应取决于电压偏置和通道温度，传统上使用准等温脉冲I/V和脉冲S参数数据而不是连续波（CW）测量。脉冲I/V和S参数技术是在具有低占空比的快速脉冲的开启周期期间测量S参数。瞬时栅极和漏极偏置从选定的稳定静态偏置移动到I/V平面上的另一个点，以更好地复制操作行为，其中热和陷阱条件由静态偏置条件设置（如图4所示）。脉冲宽度保持足够短以避免在脉冲持续期间的强烈温度变化，从而在准等温条件下获得晶体管的脉冲I/V测量值。

图4：用于表征器件特性的脉冲技术

通过此测量方案获得的数据被用于拟合内部方程的参数，用于提高在较大V_gs和V_ds下提高源电流衍生式（G_m/G_d）的准确度。类似地，UMS栅极电荷方程改善了对电容器随栅极和漏极电压变化的描述。

然而，脉冲I/V和S参数表征不足以描述GaN晶体管中的漏极滞后效应。实际上，GaN HEMT中的捕获现象存在若干时间常数，其中一些短于可用于测试的最短脉冲持续时间。这些陷阱的电荷直接取决于RF动态操作下器件上的电压，这要通过基于包络检测的专用模块在模型中加以考虑⁴。

热建模

热行为在高功率GaN器件中必须考虑。使用三维有限元方法（FEM）仿真确定热阻抗，并使用电气描述将其引入模型，以便在电气仿真期间自动计算结温，如参考文献4中所述（图5）。该模型适用于-40°C至120°C的背面温度。这种电热模型可以在不同的温度下进行设计，并可以在CW和脉冲工作下仿真结温。

图5：包含器件热行为的电气描述模型

模型验证

通过比较一系列操作条件和栅极外围的仿真结果（对于该四分之一微米工艺，从2×30μm到10×300μm）来验证所得模型。负载牵引测量用于验证模型预测不同负载阻抗的器件性能的能力。为了验证，该模型用于各种偏置条件下的固定设备外围、输入功率电平和激励频率。Microwave Office软件中的负载牵引仿真可以很容易地与实验室中测试获得的测量结果进行比较。图6给出了工作频率为10 GHz的1mm器件性能的测量结果，如增益、输出功率、功效（PAE）和漏极电流，在-40°C至125°C的几个背面温度下测量结果与仿真结果表现出极佳的一致性。图6通过输出功率负载牵引很好地给出了最佳功率下的负载位置、PAE以及线性度的仿真结果。

图6：8×125μm晶体管GH25-10异质结FET（HFET）模型在10GHz的验证结果：实线为仿真结果，圆圈为测量结果

用于电路仿真的PDK

为支持使用这些技术进行MMIC开发，PDK中组合了有源器件模型和无源片上组件及其参数布局单元（PCell）。这些PDK提供仿真就绪的器件模型来设计IC并生成用于制造的掩模。Microwave Office软件的PDK可以直接从UMS获得，包括一个布局处理文件（LPF），它定义了EM仿真的材料层和金属层。设计人员可以调整有源和无源器件模型的参数，例如栅极宽度/指针数或电容/电感值。除了参数化的PCell之外，模型还带有用于原理图编辑的符号。图7显示了放置在Microwave Office原理图中的GH25 PDK的组件。因为最终的模型都经过UMS认证合格，未来将为GH15和GH10工艺开发类似的PDK。

图7：来自NI AWR设计环境软件中的UMS GH25 PDK的各种组件

Microwave Office软件提供了一个预先配置的FET特性示例，设计人员可以在开始设计之前使用它来研究晶体管模型的基本功能。可以使用非线性热FET模型替换默认器件，并可以立刻仿真观察器件的DC和RF性能。将UMS PDK添加到流程库后，项目布局浏览器将充满UMS LPF文件。PDK模型将出现在元素浏览器中，以便用户在原理图设计窗口中放置。FET表征项目配置为仿真标准器件测量，包括DC I/V曲线、S参数、单音和双音扫频功率，如增益、输出功率和PAE以及功率相关的输出负载牵引曲线（如图8所示）。

图8：单个（8×75μm）0.25μm GaN HEMT器件的DC、小信号和大信号RF性能仿真结果

安装0.25μm PDK后，设计人员可以应用线性/非线性和负载牵引分析的组合。最近推出的Microwave Office软件中的网络综合功能支持通过频率响应（S参数）或负载牵引分析开发偏置和匹配网络，以实现最佳功率、线性或效率性能。该功能用于确定工作在18GHz的8×75μmGaN器件（0.25μm）的合适的源/负载阻抗，如图9所示。通过并联电容器在二次谐波（36GHz）处向器件的输出提供近似短路，以改善峰值PAE（~36%）。

图9：基于单个（8×75μm）0.25μm GaN HEMT器件的18GHz功率放大器的仿真结果

用于5G的GaN技术

GH15技术⁵采用70μm厚SiC基4英寸AlGaN/GaN晶圆制造。对于高功率PA（HPA）设计，源极端接的场板晶体管在30GHz时的每毫米功率密度超过3W。该工艺还支持用于冷FET应用的专用晶体管拓扑，例如前端模块中所需的开关。18 GHz时8×75μm GH15器件的典型性能如图10所示。使用负载牵引为输出功率和PAE提供最佳阻抗终端，晶体管具有4W/mm的输出功率密度，13 dB相关功率增益（使用Z_source = 50Ω），最大PAE接近60%。

图10：18 GHz时8×75μm 0.15μm晶体管的典型性能，输出阻抗通过负载牵引测量设置为最佳P_out和PAE

晶体管良好的线性度非常重要，特别是对于电信应用。可以通过晶体管的AM/AM和AM/PM性能的CW测量作为输出功率的函数来获得器件的潜在线性度。扫描在30 GHz驱动0.15微米晶体管的输入功率，以最大功率负载终止，该器件显示低相位偏差，表明线性度良好（如图11所示）。

图11：在30 GHz下，8×50μm 0.15μm晶体管的AM/AM和AM/PM性能表现出低相位偏差，表明线性度良好

为展示0.15微米SiC基AlGaN/GaN技术在毫米波频段的性能，开发了一个工作频率为24至31GHz的2W前端模块，覆盖5G的28GHz频段⁶。两种技术组合成塑料封装。如图12所示，该模块包括采用0.15微米GaN技术实现的PA和开关，以及采用0.15微米GaAs工艺实现的接收机。该器件适用于电信应用，如高吞吐量固定无线接入、时分双工（TDD）和相控阵天线。

图12：工作频率为24至31GHz的5G 2W大功率前端示例

CW测量的发射功率表明，在24至31GHz频谱的发射路径中，最大输出功率高于2W（33.5dBm），PAE为24%，插入增益为36dB。接收路径提供3.6 dB的噪声系数（NF），相关增益为20 dB，最大输出功率为30 mW（15.5dBm）。对于高功率前端（HPFE）/Tx线性度，已经研究了几个M正交幅度调制（M-QAM）信号，信道间隔为25/50和100MHz，并使用数字预失真（DPD）获得48dBc的相邻频道泄漏比（ACLR）和40 dB均方误差（MSE），平均输出功率范围为17 dBm至25 dBm。将线性度性能与专用于点对点电信应用的两个其他线性GaAs放大器所获得的性能进行了比较：HPFE具有类似线性度性能，且具有更高效率。

如图13所示，使用混合技术实现了在集成、电气性能和成本方面的最优折衷。发射路径的频率响应在频带上显示34至36 dB的增益，输出功率接近32 dBm（5 dB压缩）。频带内的PAE在22%到24%之间变化（5 dB压缩）。接收路径显示20 dB增益，典型NF从3到最大4dB。

图13：5G 2W HPFE的仿真结果

图14是大信号调制结果，包括具有和不具有多项式DPD的发射机的ACLR。256-QAM调制信号规范见图14下面的表格，信道间隔为56 MHz，RF频率为28 GHz，平均输出功率为23 dBm，峰均功率比（PAPR）为9dB。具有DPD的Tx输出的星座图（图14上方）显示了完整表征的相关性。

图14：大信号调制Tx结果显示有和没有DPD的相邻信道再生

作为另一个例子，GaN Ka频段PA也证明了该工艺在29.5至36GHz的性能（如图15所示），这个频段在5G毫米波频谱（37至43.5GHz）附近。测量的性能（CW和25°C）显示峰值输出功率大于10W，PAE大于25%，P_sat的功率增益大于21dB。产品化的下一步是扩展此系列放大器的频段，以覆盖5G的37至40GHz频段。

图15：输出功率和PAE（温度范围为25°C至120°C）

总结

本文介绍了适用于5G毫米波频段等应用的新兴SiC基GaN半导体技术。通过两个例子展示了采用这种GaN工艺设计的MMIC的性能：Ka频段（29.5至36GHz）10W的PA和面向5G应用的24至30 GHz由GaN PA和其他GaAs功能器件塑封形成的2W集成前端模块。

通过使用包括陷阱和热效应以及测量结果的精确非线性FET模型，保证了电路设计的成功。将负载牵引测量与仿真结果进行比较验证了模型精度。得到的模型组合成PDK，以及相应的布局PCell，用于在诸如Microwave Office的仿真软件中设计MMIC。除了目前可用于Microwave Office软件的UMS PDK，代工厂将在2019年实现0.15微米工艺，并且还在开发0.1微米GaN工艺。

参考文献

1.      O. Jardel, F. De Groote, C. Charbonniaud et al., “A Drain-Lag Model for AlGaN/GaN Power HEMTs,” Proceedings of the International Microwave Symposium, Honolulu, Hawaii, 2007, p. 601.

2.      A. Benvegnù, “Trapping and Reliability Investigations in GaN-based HEMTs Electronics,” Université de Limoges, 2016.

3.      S. D. Nsele, L. Escotte, J. G. Tartarin, S. Piotrowicz and S. L. Delage, “Broadband Frequency Dispersion Small-Signal Modeling of the Output Conductance and Transconductance in AlInN/GaN HEMTs,” IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 60, No. 4, April 2013, pp. 1372–1378.

4.      C. Chang et al., “Nonlinear Transistor Modeling for Industrial 0.25 μm AlGaN-GaN HEMTs,” 8th European Microwave Integrated Circuits Conference, October 2013.

5.      V. Di Giacomo-Brunel et al., “Industrial 0.15 μm AlGaN/GaN on SiC Technology for Applications Up to Ka-Band,“ 13th European Microwave Integrated Circuits Conference, September 2018.

6.         M. Ayad et al., “Mixed Technologies Packaged High Power Front-End for Broadband 28 GHz 5G Solutions,” 13th European Microwave Integrated Circuits Conference, September 2018.