imec展示高性能硅基氮化镓，锁定5G基站及移动设备应用

在本周举行的2023年IEEE国际电子组件会议（IEDM） 上，比利时微电子研究中心（imec）发布了在8英寸硅芯片上制造的氮化铝（AlN）/氮化镓（GaN）金属—绝缘体—半导体（MIS）高电子迁移率晶体管（HEMT），该组件能在28GHz的操作频率下展现高输出功率及能源效率。

Imec表示，借由这些研发成果，imec所开发的硅基氮化镓（GaN-on-Si）MISHEMT组件技术在性能方面成功胜过其他的氮化镓MISHEMT组件技术，而且采用硅基板也提供业界量产一大成本优势。

Imec指出，基于氮化镓（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。这些氮化镓组件凭借其优异的材料特性，在输出功率和能源效率方面的性能优于CMOS组件及砷化镓（GaAs）HEMT。业界正针对两种不同的射频（RF）应用案例进行研究，包括把氮化镓（MIS）HEMT用于移动设备的功率放大器电路，操作频率相对较低（电源电压VDD低于10V），以及电源电压VDD高于20V的基站。针对第二种应用，GaN-on-SiC的发展潜力更大，但碳化硅（SiC）基板的成本高昂，尺寸也较小。将氮化镓（GaN）HEMT集成在硅基板上提供了可观的成本优势，也利于这项技术持续扩大规模发展，但基于GaN-on-Si的（MIS）HEMT性能却不尽理想。

在同一块硅基板上集成氮化镓MISHEMT、MOSHEMT和氮化铝（AlN）／氮化镓（GaN）HEMT，比较这些组件的大信号性能（操作频率为28-40GHz）。该图表显示通过闸极宽度（W/mm）进行标准化后，比较不同组件在功率附加效率（PAE）及饱和输出功率（PSAT）方面的表现

Imec研究员暨先进射频研究计划主持人Nadine Collaert解释，开发这项技术的挑战在于以高频运行 （即小信号的截止频率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（即组件的大信号性能）。这项实验性研究所用的氮化镓组件大多是HEMT，我们锁定了配备氮化铝（AlN）阻障层的硅基氮化镓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） 组件及行动手持设备对低功率增强型（e-mode）组件的需求。这些氮化镓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佳的性能。具体来说，针对10V以下的低功率应用，这些组件可以达到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以上的基站应用，该技术在28GHz操作频率下也展现了亮眼的大信号性能，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）/氮化镓（GaN）MISHEMT还是属于空乏型（d-mode） 组件。但我们知道未来要通过进一步的组件堆栈工程技术来开发增强型（e-mode）组件。

Imec进一步指出，为了改良组件性能，就要针对氮化铝（AlN）和氮化硅（Si3N4）组件层厚度所带来的影响进行全面性研究，这些组件层分别用来当作截止阻障层及闸极介电层。举例来说，超薄的组件堆栈能实现高频运行，但也会在大信号性能方面出现因晶体管陷阱所诱发的电流崩塌（current collapse）及组件崩溃（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镓HEMT崩溃组件的更广泛研究，揭示该机制背后的可靠度议题。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镓堆栈设计。

(首图来源：Opto-p/Public domain)