在本周舉行的2023年IEEE國際電子組件會議（IEDM） 上，比利時微電子研究中心（imec）發布了在8英寸矽晶片上製造的氮化鋁（AlN）/氮化鎵（GaN）金屬—絕緣體—半導體（MIS）高電子遷移率電晶體（HEMT），該組件能在28GHz的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所開發的矽基氮化鎵（GaN-on-Si）MISHEMT組件技術在性能方面成功勝過其他的氮化鎵MISHEMT組件技術，而且採用矽基板也提供業界量產一大成本優勢。
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，作為5G技術的下一步革命性進展。這些氮化鎵組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組件及砷化鎵（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用於移動設備的功率放大器電路，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的基站。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集成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。
在同一塊矽基板上集成氮化鎵MISHEMT、MOSHEMT和氮化鋁（AlN）／氮化鎵（GaN）HEMT，比較這些組件的大信號性能（操作頻率為28-40GHz）。該圖表顯示通過閘極寬度（W/mm）進行標準化後，比較不同組件在功率附加效率（PAE）及飽和輸出功率（PSAT）方面的表現
Imec研究員暨先進射頻研究計劃主持人Nadine Collaert解釋，開發這項技術的挑戰在於以高頻運行 （即小信號的截止頻率fT及最大振蕩頻率fmax），同時達到高輸出功率與夠高的能源效率（即組件的大信號性能）。這項實驗性研究所用的氮化鎵組件大多是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） 組件及行動手持設備對低功率增強型（e-mode）組件的需求。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，這些組件可以達到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以上的基站應用，該技術在28GHz操作頻率下也展現了亮眼的大信號性能，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） 組件。但我們知道未來要通過進一步的組件堆棧工程技術來開發增強型（e-mode）組件。
Imec進一步指出，為了改良組件性能，就要針對氮化鋁（AlN）和氮化矽（Si3N4）組件層厚度所帶來的影響進行全面性研究，這些組件層分別用來當作截止阻障層及閘極介電層。舉例來說，超薄的組件堆棧能實現高頻運行，但也會在大信號性能方面出現因電晶體陷阱所誘發的電流崩塌（current collapse）及組件崩潰（breakdown）現象。此次的IEEE國際電子會議（IEDM）上，也展示了針對導通狀態下的氮化鎵HEMT崩潰組件的更廣泛研究，揭示該機制背後的可靠度議題。Nadine Collaert補充，這些基礎研究提供我們一套模擬平台，可以針對特定應用案例，進一步優化我們所開發的氮化鎵堆棧設計。
(首圖來源：Opto-p/Public domain)