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Imec在GaN-on-Si平臺上取得6G晶體管突破

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Imec在GaN-on-Si平臺上取得6G晶體管突破

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6G ， 更進一步 。
移動網絡正在接近 6GHz 以下頻譜的上限 。 為了滿足 6G 的數據吞吐量和延遲要求 ， 人們的注意力轉向了 FR3——即 7GHz 至 24GHz 的頻率范圍 。
然而 ， 在更高頻率下工作會給用戶設備中的射頻前端組件帶來新的設計挑戰 。 砷化鎵 (GaAs) 異質結雙極晶體管 (HBT) 是當今射頻架構的主流 ， 但在 10 至 15GHz 以上的頻率范圍內 ， 其效率和增益會開始下降 。 這會導致電池耗電量增加和性能下降——這是移動應用的兩個關鍵缺陷 。
業界目前迫切需要能夠在更高頻率下提供高輸出功率和高效率的射頻技術 ， 同時又不犧牲可擴展性或成本 。 氮化鎵 (GaN) 已成為一種強有力的候選材料 ， 具有高功率密度和擊穿電壓 。 但要使其適用于消費類移動設備（尤其是在硅基板上） ， 仍然是一個重大挑戰 。
GaN的優勢及其利弊氮化鎵 (GaN) 被廣泛認為是高頻射頻應用的下一代材料 。 其固有優勢——高功率密度、寬帶隙和優異的擊穿電壓——使其非常適合 6G 等嚴苛環境 。
在基站和基礎設施應用中 ， 碳化硅基氮化鎵 (SiC) 已展現出強大的高頻射頻性能 。 然而 ， SiC 的高成本和有限的晶圓可擴展性限制了其在量產移動市場的適用性 。
硅憑借其較低的成本、成熟的制造生態系統以及與大尺寸晶圓的兼容性 ， 仍然是大眾市場電子產品的首選基板 。 在硅上集成氮化鎵 (GaN-on-Si) 是一條充滿希望的發展方向 ， 但也面臨挑戰 。
GaN和Si之間的晶格失配和熱失配會降低材料質量和可靠性 。 這些問題在增強型（E-mode）晶體管設計中更加復雜——這種晶體管因其常關特性和高能效而在移動應用中備受青睞 。 為了實現E-mode操作而減薄勢壘和溝道通常會導致導通電流降低、漏電流增加 ， 從而影響整體性能 。
Imec 創紀錄的 E-mode GaN-on-Si 器件Imec宣布 ， 其硅基氮化鎵增強型（E-mode）MOSHEMT器件在移動射頻晶體管性能方面取得重大突破 。 該器件在5V電源供電下工作于13GHz ， 輸出功率達到創紀錄的27.8dBm ， 功率附加效率（PAE）達到66% ， 為E-mode硅基氮化鎵晶體管樹立了新的標桿 。

imec 硅基氮化鎵晶體管柵極結構的橫截面 TEM 圖像 ， 突出顯示了有利于增強模式 (E-mode) 操作的精確蝕刻柵極區域 。
該器件架構采用8指柵極布局來擴展總柵極寬度 ， 無需依賴多個晶體管的綜合性能即可實現更高的輸出功率 。 這種方法為在空間受限的移動前端模塊中集成高性能射頻晶體管提供了一條簡化的途徑 。
為了在不影響射頻效率的情況下實現常關特性 ， Imec 將柵極凹槽技術與氮化銦鋁 (InAlN) 勢壘層相結合 。 柵極凹槽將閾值移至增強模式 ， 而 InAlN 勢壘則補償了通常與晶體管溝道減薄相關的性能損失 。
克服接觸電阻障礙除了晶體管的開發之外 ， Imec還利用再生n?(In)GaN接觸層 ， 實現了創紀錄的0.024Ω·mm的低接觸電阻 。 這標志著在降低功率損耗和增強電流注入方面取得了關鍵進展——這兩者對于在高頻下實現高效射頻操作至關重要 。
低電阻接觸作為單獨的工藝模塊開發 ， 與增強型硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) MOSHEMT 架構完全兼容 。 這種模塊化方法無需對現有器件結構進行根本性改變 ， 即可實現性能擴展 。
根據器件模擬 ， 將該接觸模塊集成到增強型晶體管中 ， 可使輸出功率密度提高 70% 。 這將使該技術達到 6G 用戶設備的關鍵性能目標 ， 因為功率效率和尺寸尺寸對于 6G 用戶設備而言至關重要 。
未來之路：邁向現實世界的 6G 設備Imec 的下一步計劃是將其創紀錄的低接觸電阻模塊集成到增強型硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) MOSHEMT 器件中 。 此舉旨在驗證實際條件下輸出功率和效率的模擬增益——這對于最終在移動 6G 系統中實現商業應用至關重要 。
【Imec在GaN-on-Si平臺上取得6G晶體管突破】由于用戶設備中的功率放大器必須在嚴格的熱和能量約束下提供高性能 ， 因此將輸出功率與效率完美結合至關重要 。 在硅平臺上實現這種平衡 ， 將使硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) 在智能手機、平板電腦和緊湊型物聯網設備等成本敏感、大批量應用領域中占據決定性優勢 。
imec首席技術人員Alireza Alian表示：“降低接觸電阻對于提高輸出功率并保持高效率至關重要 。 我們的下一步是將該接觸模塊集成到增強型晶體管中 ， 并驗證預期的功率和效率提升 ， 使該器件更接近實際的6G應用 。 ”
向 6G 時代移動硬件邁進一步Imec 的兩項突破——高性能增強型硅基氮化鎵晶體管和超低接觸電阻模塊——代表著 GaN RF 技術在移動應用領域邁出了重要一步 。 這些進展共同解決了 GaN 規模部署過程中最持久的兩個挑戰：增強型器件的效率下降以及限制功率傳輸的接觸損耗 。
Imec 的方法將性能、集成兼容性和可擴展性整合在一個硅平臺上 ， 使硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) 技術更接近于實現 6G 移動硬件 。 對于手機制造商、射頻集成電路 (RFIC) 設計人員和無線基礎設施開發商而言 ， 這項工作有望為更小、更高效、功能更強大的前端架構打開大門 ， 這些架構針對下一代頻段進行了優化 。
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