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。

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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