imec展示高效能矽基氮化鎵 鎖定5G先進基地台及行動裝置應用

在本周舉行的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。

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解釋說：「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。