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長庚大學發表氮化鎵5G通訊技術及毫米波陣列天線設計

2020-05-12 16:49經濟日報 楊連基

長庚大學電子系邱顯欽教授團隊,近期在研發5G通訊元件及節能氮化鎵功率元件方面,成果豐碩﹔此外,電子系金國生教授接受國家中山科學研究院(簡稱中科院)電子所委託,執行經濟部科專計畫「具備自測功能的毫米波基地台天線技術開發」,擔任計畫主持人,帶領電子系陳元賀教授、李仲益教授及研究生團隊,負責開發5G通訊用毫米波38 GHz陣列天線及基地台天線測試技術,亦有所展現。長庚大學希望各大企業可以投入此前瞻產業,並且有更進一步的擴大技轉合作機會。

長庚大學電子系邱顯欽教授。 楊連基/攝影
長庚大學電子系邱顯欽教授。 楊連基/攝影

■氮化鎵5G通訊技術:

目前半導體產業的發展已經不是單一方向的研發,必須從原物料、基板、磊晶、製程、模組、應用等多面向的合作,並且積極參加產業研發聯盟,目前,長庚大學邱顯欽教授團隊,在應用於高頻/高效率直流轉換器的矽基氮化鎵新型開關元件,或是針對第五代行動通訊(5G)應用,高頻率氮化鎵晶片都有相當的研究成果。

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邱顯欽教授表示,為促進我國新型半導體材料的發展產業,在高功率及高頻率應用,氮化鎵(GaN)已經是全球最受矚目的材料之一,其寬能隙、高電子遷移率、高電子飽和速度、及高熱穩定等特性為主要優勢。寬能隙特性造就其優異的崩潰電壓與熱穩定,有利於在新世代高壓、高功率通訊元件的操作;高電子飽和速度之特點更利於此元件在高頻率的卓越表現。

近10年來,邱顯欽教授主要研究內容為氮化鎵寬能隙材料,對於目前5G通訊及節能電子均有非常豐碩的研究內容﹔其主題如下:

針對5G通訊元件方面:

長庚大學高速智能研究中心團隊過去3年已經開始InAlN/GaN HEMT on 6-inch SOI 基板的元件製作,該實驗室開發的高瓦數功率輸出GaN金氧半功率電晶體(閘極寬度2mm),電流增益截止頻率也到達了40GHz,28伏特偏壓底下操作可以擁有1.6W/mm功率密度,功率附加效率比傳統金半接面高5%,在50V偏壓時可以達到2W/mm的功率密度輸出,加上電場版技術後最高崩潰電壓已經超過三百伏特,此外,也成功將元件覆晶於高散熱係數的氮化鋁與矽基板上,整合於高ESD保護電路之上。

對於節能氮化鎵功率元件方面:

學術界以及業界重要的研究內容,是以如何達到增強型氮化鎵場效應電晶體開發與高壓DC/DC整流電路實現,該實驗室近期開發新型p-GaN Gate E-mode HEMT及Anode recess GaN Schottky Barrier Diode,並利用多循環式濕蝕刻技術,大幅增加兩種元件的製造均勻性。相關技術不僅在學術發表外也成功技術轉移至6吋矽代工廠進行量產技術落實,甚至結合此兩種元件技術也開發出VTH接近於0V的SBD元件。

落實這些電晶體與二極體技術之後,亦基於GaN電晶體元件其高速導通、截止的能力,提高電路的切換頻率,進而縮小整體DC/DC converter體積及重量。開發過程也建立及分析GaN電晶體各項特性的評估標準,做為設計上的參考並開發以GaN電晶體為基礎的半橋式DC/DC電源轉換模組,目前已經成功實現出以GaN為電晶體與二極體的6000Watt與300Watt高速DC/DC升降壓轉換電路(Freq>1MHz)。

有關長庚大學邱顯欽教授團隊的技轉合作,電話(03)2118800轉3350。

邱顯欽教授團隊研發的功率器件。 長庚大學/提供
邱顯欽教授團隊研發的功率器件。 長庚大學/提供

邱顯欽教授團隊研發的通訊元件晶片。 長庚大學/提供
邱顯欽教授團隊研發的通訊元件晶片。 長庚大學/提供

■5G通訊用毫米波陣列天線設計專利

第五代行動通訊(簡稱5G),由於能夠提供高達10 Gbit/s的傳輸速率,已成為未來行動通訊的主要發展技術之一。5G通訊產業規模之大,各國莫不全力投入開發。今年年初,台灣5G頻譜競標最終以1421.91億元結標,比國家通訊傳播委員會(NCC)原編列5G釋照收入440億元高出近千億元,由此可知其所受的關注程度。天線為5G通訊系統之關鍵組件,因5G操作頻率高達毫米波頻段,天線尺寸相對小,且各種高頻寄生效應嚴重,故設計難度頗高。

長庚大學電子系金國生教授接受國家中山科學研究院(簡稱中科院)電子所委託,執行經濟部科專計畫「具備自測功能之毫米波基地台天線技術開發」,擔任計畫主持人,帶領電子系陳元賀教授、李仲益教授及研究生團隊,負責開發5G通訊用毫米波38 GHz陣列天線及基地台天線測試技術。中科院在5G技術發展上以基地台系統技術為主軸,本計畫與中科院密切配合,形成整合型團隊,強化台灣在5G的技術研究,特別是在發展5G基地台陣列天線技術方面。

此計畫所開發的38 GHz陣列天線,具有平面式、高增益、低旁波瓣、可波束掃瞄等功能。藉由設計巴特勒矩陣電路,與810貼片陣列天線組合,可達成四波束掃瞄功能,優點是射頻與基頻電路不需做任何變動,即可賦予系統空間多工的能力,成本較為低廉,且因為是被動式架構,故功耗較小。此外,也提出一種簡易型天線自測平台,可在射頻端進行天線簡易功能測試,提供工程師初步研判天線系統功能是否正常,作為天線模組維修或更換的參考。

此計畫成果共衍生三項專利成果:「寬波束高增益陣列天線(專利證號I674703)」、「低旁波瓣陣列天線(專利證號I674704)」及「無線基地台及其陣列天線的自我檢測方法(專利證號I617814)」等。前兩篇專利是提出5G天線數種不同設計構型,其特性分別可提高天線輻射及接收增益、增加天線波束寬度、降低旁波瓣特性等,可有效改善5G天線電性,有助於提升5G通訊系統之效能。第三篇專利則針對5G無線基地台陣列天線提出自我檢測方法,藉由在無線基地台上設置一具參考天線及架設自測平台,可測試無線基地台天線的收發功能有無異常,有助於工程人員初步除錯及簡易維護。這些專利均可用於5G通訊產業,對於5G產業有重要效益。

此外,金國生教授也接受中科院化學研究所委託,執行經濟部科專計畫「毫米波基板集成波導結構設計與特性研究」及「毫米波基板集成波導載板設計模擬與高頻傳輸特性研究」等兩項計畫,分別設計毫米波60 GHz及39 GHz陣列天線。陣列天線的饋電網路採用基板集成波導(SIW)結構,基板介質材料採用中科院開發的低介電氮化鋁材料,SIW結構利用雷射鑽孔及電鍍方式填孔,搭配其低損耗毫米波基板先進製程進行陣列天線製作,協助中科院驗證其毫米波材料用於5G天線設計的特性。

相關研究已衍生三項專利申請中:「可切換三波束貼片陣列天線(申請案號108121708)」、「可切換三波束貼片陣列天線之開關電路設計(申請案號108121709)」、「可切換三波束槽孔陣列天線(申請案號108121653)」。此三項專利分別提出5G波束掃描天線之數種不同設計構型及切換開關設計,可提升5G天線波束掃描特性。上述毫米波材料驗證及天線設計可應用於5G行動通訊,可提升國內毫米波材料及5G天線研發能力。

有關長庚大學金國生教授團隊的技轉合作,電話(03)2118800轉5789。

5G通訊用38-GHz 四波束掃瞄陣列天線及量測。 長庚大學/提供
5G通訊用38-GHz 四波束掃瞄陣列天線及量測。 長庚大學/提供

5G通訊用38-GHz低旁波瓣陣列天線。 長庚大學/提供
5G通訊用38-GHz低旁波瓣陣列天線。 長庚大學/提供

■長庚大學經濟部學界科專專利公告:https://cgutopplantest1.blogspot.com/2020/04/blog-post.html

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