Forskningsinstitutet imec har på veckans IEEE IEDM 2023 presenterat aluminiumnitrid/galliumnitrid (AlN/GaN) metall-isolator-halvledare högelektronmobilitetstransistorer (MISHEMTs) på 200 mm Si-substrat med hög uteffekt och energieffektivitet som arbetar vid 28GHz. Resultaten från tester visar att imecs GaN-on-Si MISHEMT-teknologi överträffar andra GaN MISHEMT-enhetsteknologier när det gäller prestanda, medan införandet av Si-substratet ger en stor kostnadsfördel för industriell tillverkning.
Galliumnitrid (GaN)-baserade (MIS)HEMT:ar utforskas brett för 5G-avancerade trådlösa kommunikationsapplikationer med hög kapacitet – nästa evolutionära steg inom 5G-teknik. På grund av sina enastående materialegenskaper erbjuder GaN-baserade enheter överlägsen prestanda jämfört med CMOS-enheter och gallium-arsenid (GaAs) HEMT när det gäller uteffekt och energieffektivitet. Industrin tittar på två olika RF-användningsfall: (1) mobila enheter där GaN (MIS)HEMTs används i effektförstärkarkretsar som arbetar vid relativt låga spänningar (d.v.s. VDD under 10V); och basstationer där VDD-spänningarna är högre (över 20V). För det senare fallet erbjuder GaN-på-kiselkarbid (SiC)-enheter den största potentialen, men SiC-substrat är dyra och små i storlek. Möjligheten att integrera GaN HEMTs på Si erbjuder enligt Imec en enorm kostnadsfördel och potential för teknikuppskalning, men prestandan för GaN-on-Si-baserade (MIS)HEMT:er släpar efter.
– Utmaningen ligger i att uppnå en hög driftsfrekvens (härledd från fT och fmax vid små signalförhållanden) samtidigt som man levererar en hög uteffekt med tillräcklig effektivitet (härledd från enhetens höga signalprestanda), säger Nadine Collaert, imec-stipendiat och programdirektör avancerade RF på imec.
– Medan de flesta GaN-enheter är HEMT, fokuserade vi i denna experimentella studie på GaN-on-Si MISHEMTs med AlN-barriärer som ett avgörande steg mot att möta efterfrågan på både högeffekts d-mode-enheter för infrastruktur och lågspänning e-mode-enheter som krävs i mobiltelefoner. Dessa GaN MISHEMT-enheter, med en avslappnad (relaxed) gatelängd på 100nm, visar exceptionell prestanda över olika mätvärden. Specifikt för lågspänningstillämpningar (upp till 10V) uppnådde dessa enheter en mättad uteffekt (PSAT) på 2,2W/mm (26,8dBm) och en ökad effekteffektivitet (PAE) på 55,5 procent vid 28GHz, vilket positionerar vår teknik bättre än jämförbara HEMT/MISHEMTs där ute. Dessa resultat understryker potentialen hos vår teknik som en stark grund för nästa generations 5G-applikationer.
För basstationer (20V-applikationer) demonstreras också utmärkta storsignalprestanda vid 28GHz med en PSAT på 2,8W/mm (27,5dBm) och PAE på 54,8procent.
– Våra AlN/GaN MISHEMTs är fortfarande d-mode-enheter, säger Nadine Collaert. Men vi känner till vägen mot e-mode-enheter, genom ytterligare enhetsstackteknik.
Bakom prestandaförbättringen ligger en omfattande studie av inverkan av tjockleksskalningen av AlN- och Si3N4-skikten, som används som stoppbarriärskikt respektive även grinddielektrikum. Ultratunna stackar, till exempel, möjliggör en hög driftfrekvens, men kommer på bekostnad av infångningsinducerad strömkollaps och enhetsavbrott i stora signalförhållanden. En bredare studie av på-tillståndsfördelning (on-state breakdown) av GaN HEMTs, som också demonstrerats avslöjar mekanismen bakom dessa tillförlitlighetsproblem.
– Dessa grundläggande studier ger oss en modelleringsplattform för att ytterligare optimera designen av vår GaN-baserade materialstack för specifika användningsfall, säger Nadine Collaert.
Resultaten presenterades under veckans 2023 International Electron Devices Meeting (IEEE IEDM 2023).
