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鎖定5G先進基地台及行動裝置應用 imec展示高效能矽基氮化鎵
 

【CTIMES/SmartAuto 籃貫銘 報導】   2023年12月14日 星期四

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於本周舉行的2023年IEEE國際電子會議(IEDM)上,比利時微電子研究中心(imec)發表了在8吋矽晶圓上製造的氮化鋁(AlN)/氮化鎵(GaN)金屬—絕緣體—半導體(MIS)高電子遷移率電晶體(HEMT),該元件能在28GHz的操作頻率下展現高輸出功率及能源效率。藉由這些研發成果,可見imec所開發的矽基氮化鎵(GaN-on-Si)MISHEMT元件技術在性能方面成功勝過其它的氮化鎵MISHEMT元件技術,而且採用矽基板也提供業界量產一大成本優勢。

圖表顯示透過閘極寬度(W/mm)進行標準化後,比較不同元件在功率附加效率(PAE)及飽和輸出功率(PSAT)方面的表現。
圖表顯示透過閘極寬度(W/mm)進行標準化後,比較不同元件在功率附加效率(PAE)及飽和輸出功率(PSAT)方面的表現。

基於氮化鎵(GaN)的(MIS)HEMT在5G先進高容量無線傳輸應用正被廣泛研究,作為5G技術的下一步革命性進展。這些氮化鎵元件憑藉其優異的材料特性,在輸出功率和能源效率方面的性能優於CMOS元件及砷化鎵(GaAs)HEMT。業界正針對兩種不同的射頻(RF)應用案例進行研究:(1)把氮化鎵(MIS)HEMT用於行動裝置的功率放大器電路,操作頻率相對較低(電源電壓VDD低於10V);(2)電源電壓VDD高於20V的基地台。針對第二種應用,GaN-on-SiC的發展潛力更大,但碳化矽(SiC)基板的成本高昂,尺寸也較小。將氮化鎵(GaN)HEMT整合在矽基板上提供了可觀的成本優勢,也利於這項技術持續擴大規模發展,但基於GaN-on-Si的(MIS)HEMT性能卻不盡理想。

imec研究員暨先進射頻研究計畫主持人Nadine Collaert解釋:「開發這項技術的挑戰在於以高頻運作(即小訊號的截止頻率fT及最大振盪頻率 fmax),同時達到高輸出功率與夠高的能源效率(即元件的大訊號性能)。」 他表示:「這項實驗性研究所用的氮化鎵元件大多是HEMT,我們鎖定了配備氮化鋁(AlN)阻障層的矽基氮化鎵MISHEMT來作為關鍵的一步,以滿足基礎設施對高功率空乏型(d-mode)元件及行動手持裝置對低功率增強型(e-mode)元件的需求。這些氮化鎵MISHEMT具備相對鬆散的閘極寬度(100nm),在不同性能指標方面展現絕佳的性能。具體來說,針對10V以下的低功率應用,這些元件可以達到2.2W/mm(26.8dBm)的飽和輸出功率(PSAT),並在28GHz的操作頻率下,達到55.5%的功率附加效率(PAE),顯現我們的技術勝過其它類似的HEMT或MISHEMT。這些研發成果展現了我們開發的這項技術具有潛力作為新一代5G應用的重要基礎。」

此外,針對20V以上的基地台應用,該技術在28GHz操作頻率下也展現了亮眼的大訊號性能,包含高達2.8W/mm(27.5dBm)的飽和輸出功率(PSAT)及54.8%的功率附加效率(PAE)。Nadine Collaert補充:「我們的氮化鋁(AlN)/氮化鎵(GaN)MISHEMT還是屬於空乏型(d-mode)元件。但我們知道未來要透過進一步的元件堆疊工程技術來開發增強型(e-mode)元件。

為了改良元件性能,就要針對氮化鋁(AlN)和氮化矽(Si3N4)元件層厚度所帶來的影響進行全面性研究,這些元件層分別用來當作截止阻障層及閘極介電層。舉例來說,超薄的元件堆疊能實現高頻運作,但也會在大訊號性能方面出現因電晶體陷阱所誘發的電流崩塌(current collapse)及元件崩潰(breakdown)現象。此次的IEEE國際電子會議(IEDM)上,也展示了針對導通狀態下的氮化鎵HEMT崩潰元件的更廣泛研究,揭示該機制背後的可靠度議題。Nadine Collaert補充:「這些基礎研究提供我們一套模擬平台,可以針對特定應用案例,進一步優化我們所開發的氮化鎵堆疊設計。」

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關鍵字: 5G  imec 
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