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锁定5G先进基地台及行动装置应用 imec展示高效能矽基氮化??
 

【CTIMES / SMARTAUTO ABC_1 报导】    2023年12月14日 星期四

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於本周举行的2023年IEEE国际电子会议(IEDM)上,比利时微电子研究中心(imec)发表了在8寸矽晶圆上制造的氮化铝(AlN)/氮化??(GaN)金属绝缘体半导体(MIS)高电子迁移率电晶体(HEMT),该元件能在28GHz的操作频率下展现高输出功率及能源效率。藉由这些研发成果,可见imec所开发的矽基氮化??(GaN-on-Si)MISHEMT元件技术在性能方面成功胜过其它的氮化??MISHEMT元件技术,而且采用矽基板也提供业界量产一大成本优势。

图表显示透过闸极宽度(W/mm)进行标准化後,比较不同元件在功率附加效率(PAE)及饱和输出功率(PSAT)方面的表现。
图表显示透过闸极宽度(W/mm)进行标准化後,比较不同元件在功率附加效率(PAE)及饱和输出功率(PSAT)方面的表现。

基於氮化??(GaN)的(MIS)HEMT在5G先进高容量无线传输应用正被广泛研究,作为5G技术的下一步革命性进展。这些氮化??元件凭藉其优异的材料特性,在输出功率和能源效率方面的性能优於CMOS元件及砷化??(GaAs)HEMT。业界正针对两种不同的射频(RF)应用案例进行研究:(1)把氮化??(MIS)HEMT用於行动装置的功率放大器电路,操作频率相对较低(电源电压VDD低於10V);(2)电源电压VDD高於20V的基地台。针对第二种应用,GaN-on-SiC的发展潜力更大,但碳化矽(SiC)基板的成本高昂,尺寸也较小。将氮化??(GaN)HEMT整合在矽基板上提供了可观的成本优势,也利於这项技术持续扩大规模发展,但基於GaN-on-Si的(MIS)HEMT性能却不尽理想。

imec研究员暨先进射频研究计画主持人Nadine Collaert解释:「开发这项技术的挑战在於以高频运作(即小讯号的截止频率fT及最大振荡频率 fmax),同时达到高输出功率与够高的能源效率(即元件的大讯号性能)。」 他表示:「这项实验性研究所用的氮化??元件大多是HEMT,我们锁定了配备氮化铝(AlN)阻障层的矽基氮化??MISHEMT来作为关键的一步,以满足基础设施对高功率空乏型(d-mode)元件及行动手持装置对低功率增强型(e-mode)元件的需求。这些氮化??MISHEMT具备相对松散的闸极宽度(100nm),在不同性能指标方面展现绝隹的性能。具体来说,针对10V以下的低功率应用,这些元件可以达到2.2W/mm(26.8dBm)的饱和输出功率(PSAT),并在28GHz的操作频率下,达到55.5%的功率附加效率(PAE),显现我们的技术胜过其它类似的HEMT或MISHEMT。这些研发成果展现了我们开发的这项技术具有潜力作为新一代5G应用的重要基础。」

此外,针对20V以上的基地台应用,该技术在28GHz操作频率下也展现了亮眼的大讯号性能,包含高达2.8W/mm(27.5dBm)的饱和输出功率(PSAT)及54.8%的功率附加效率(PAE)。Nadine Collaert补充:「我们的氮化铝(AlN)/氮化??(GaN)MISHEMT还是属於空乏型(d-mode)元件。但我们知道未来要透过进一步的元件堆叠工程技术来开发增强型(e-mode)元件。

为了改良元件性能,就要针对氮化铝(AlN)和氮化矽(Si3N4)元件层厚度所带来的影响进行全面性研究,这些元件层分别用来当作截止阻障层及闸极介电层。举例来说,超薄的元件堆叠能实现高频运作,但也会在大讯号性能方面出现因电晶体陷阱所诱发的电流崩塌(current collapse)及元件崩溃(breakdown)现象。此次的IEEE国际电子会议(IEDM)上,也展示了针对导通状态下的氮化??HEMT崩溃元件的更广泛研究,揭示该机制背後的可靠度议题。Nadine Collaert补充:「这些基础研究提供我们一套模拟平台,可以针对特定应用案例,进一步优化我们所开发的氮化??堆叠设计。」

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關鍵字: 5G  imec 
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