imec展示了GaN-on-Si MISHEMT，其性能适合5G高级基站和移动设备等应用

第69届国际电子器件会议（IEEE IEDM 2023）在旧金山举行（12月9日至13日），会上比利时鲁汶纳米电子研究中心imec展示了200 mm硅基上的氮化铝/氮化镓（AlN/GaN）金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管（MISHEMT），该晶体管的输出功率和能效较高，工作频率为28GHz。据称，其在性能方面优于其他GaN MISHEMT器件技术，而采用硅衬底则为工业制造提供了重大的成本优势。

5G高级大容量无线通信应用是5G技术的下一步发展，其广泛用到基于GaN的(MIS)HEMT。由于材料特性，基于GaN的器件在输出功率和能效方面的性能优于CMOS器件和砷化镓（GaAs）HEMT。业界正在研究两种不同的射频用例：移动设备和基站。在移动设备中，GaN (MIS)HEMT用于工作电压相对较低的功率放大器电路（即V_DD低于10V）；而在基站中，V_DD电压较高（高于20V）。对于后一种情况， （SiC）基GaN器件具有最大的潜力，但SiC衬底价格昂贵且直径较小。在硅上集成GaN HEMT的能力具有巨大的成本优势和技术升级潜力，但GaN-on-Si (MIS)HEMT的性能却相对落后。

imec研究员兼高级射频项目总监Nadine Collaert表示：“挑战在于使其工作频率高（由小信号条件下的f_T和f_max得出）的同时，能以足够的效率（由器件的大信号性能得出）提供高输出功率。”她补充道：“虽然大多数GaN器件都是HEMT，但在这项实验研究中，我们重点关注带有AlN势垒的GaN-on-Si MISHEMT，对于满足基础设施对高功率d模式（耗尽模式）器件的需求和移动手机对低电压e模式（增强模式）器件的需求，这是关键的一步。这些GaN MISHEMT器件的栅极长度宽松至100nm，在各项指标上都表现出卓越的性能。具体而言，在低压（最高10V）应用中，这些器件的饱和输出功率（P_SAT）达到2.2W/mm（26.8dBm），28GHz时的功率附加效率（PAE）达到55.5%，使我们的技术优于现有的同类HEMT/MISHEMT。结果显示，我们的技术有潜力成为下一代5G应用的坚实基础。”

此外，这类器件用于基站（20V应用）时，28GHz时的饱和输出功率为2.8W/mm（27.5dBm），功率附加效率为54.8%，表明其大信号性能也非常出色。Nadine Collaert表示：“我们的AlN/GaN MISHEMT仍然是d模式器件。但我们知道，进一步的器件堆叠工程可使其通向e模式。”

图片：集成在硅衬底上的GaN MISHEMT、MOSHEMT和AlN/GaN HEMT的大信号性能基准（28-40GHz）。图中显示了标准化栅极宽度（W/mm）下，功率附加效率与饱和输出功率的关系。[1] H. W. Then, IEDM, pp402-05, 2019; [2] H. W. Then, IEDM, pp230-233, 2021; [3] P. Cui, Semi. Sci. Tech., 38 035011, 2023; [4] H. Du, EDL, vol.44, no.6, pp911-14, 2023; [5] E. Carneiro, Electronics, 12(13), p2974, 2023; [6] H. W. Then, VLSI 2020.

提升性能的基础是对AlN层和Si₃N₄层厚度变化的影响进行全面研究，其中AlN层和Si₃N₄层分别用作阻挡层和栅极电介质。例如，超薄叠层可实现较高的工作频率，但代价是大信号条件下会出现陷波引起的电流崩溃和器件击穿。IEDM上还展示了对GaN HEMT通态击穿更为广泛的研究，揭示了这些可靠性问题背后的机制。Nadine Collaert总结道：“这些基础研究为我们提供了一个建模平台，使我们能够针对特定用例进一步优化基于GaN的材料堆栈设计。”