imec 展示高效能矽基氮化鎵，鎖定 5G 基地台及行動裝置應用

本週舉行的 2023 年 IEEE 國際電子元件會議（IEDM），比利時微電子研究中心（imec）發表 8 吋矽晶圓製造的氮化鋁（AlN）氮化鎵（GaN）金屬──絕緣體──半導體（MIS）高電子遷移率電晶體（HEMT），能在 28GHz 操作頻率下展現高輸出功率及能源效率。

Imec 表示，藉由這些研發成果，imec 開發的矽基氮化鎵（GaN-on-Si）MISHEMT 元件技術性能勝過其他氮化鎵 MISHEMT 元件，且矽基板也提供業界量產成本優勢。

Imec 指出，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，做為 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，包括把氮化鎵（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），以及電源電壓 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 整合在矽基板提供可觀成本優勢，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。同一塊矽基板整合氮化鎵 MISHEMT、MOSHEMT 和氮化鋁（AlN）／氮化鎵（GaN）HEMT，比較這些元件的大訊號性能（操作頻率為28~40GHz）。該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）表現

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）。這項實驗性研究所用的氮化鎵元件大多是 HEMT，鎖定配備氮化鋁（AlN）阻障層的矽基氮化鎵 MISHEMT 來做為關鍵的一步，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），顯現技術勝過其他類似的 HEMT 或 MISHEMT，展現新技術潛力成為新一代 5G 應用的重要基礎。

20V 以上基地台應用，28GHz 操作頻率下也展現亮眼大訊號性能，含高達 2.8W/mm（27.5dBm）飽和輸出功率（PSAT）及 54.8% 功率附加效率（PAE）。Nadine Collaert 補充，氮化鋁 （AlN）／氮化鎵（GaN）MISHEMT 還是屬於空乏型（d-mode）元件，但未來透過進一步元件堆疊工程開發增強型（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）元件層厚度的影響全面性研究，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），也展示導通狀態下氮化鎵 HEMT 崩潰元件的更廣泛研究，揭示機制背後可靠度議題。Nadine Collaert 補充，這些基礎研究提供模擬平台，針對特定應用案例最佳化氮化鎵堆疊。

(首圖來源：Opto-p / Public domain)