Imec在GaN-on-Si平台上取得6G晶体管突破

移动网络正在接近 6GHz 以下频谱的上限。为了满足 6G 的数据吞吐量和延迟要求，人们的注意力转向了 FR3——即 7GHz 至 24GHz 的频率范围。

然而，在更高频率下工作会给用户设备中的射频前端组件带来新的设计挑战。砷化镓 (GaAs) 异质结双极晶体管 (HBT) 是当今射频架构的主流，但在 10 至 15GHz 以上的频率范围内，其效率和增益会开始下降。这会导致电池耗电量增加和性能下降——这是移动应用的两个关键缺陷。

业界目前迫切需要能够在更高频率下提供高输出功率和高效率的射频技术，同时又不牺牲可扩展性或成本。氮化镓 (GaN) 已成为一种强有力的候选材料，具有高功率密度和击穿电压。但要使其适用于消费类移动设备（尤其是在硅基板上），仍然是一个重大挑战。

GaN的优势及其利弊

氮化镓 (GaN) 被广泛认为是高频射频应用的下一代材料。其固有优势——高功率密度、宽带隙和优异的击穿电压——使其非常适合 6G 等严苛环境。

在基站和基础设施应用中，碳化硅基氮化镓 (SiC) 已展现出强大的高频射频性能。然而，SiC 的高成本和有限的晶圆可扩展性限制了其在量产移动市场的适用性。

硅凭借其较低的成本、成熟的制造生态系统以及与大尺寸晶圆的兼容性，仍然是大众市场电子产品的首选基板。在硅上集成氮化镓 (GaN-on-Si) 是一条充满希望的发展方向，但也面临挑战。

GaN和Si之间的晶格失配和热失配会降低材料质量和可靠性。这些问题在增强型（E-mode）晶体管设计中更加复杂——这种晶体管因其常关特性和高能效而在移动应用中备受青睐。为了实现E-mode操作而减薄势垒和沟道通常会导致导通电流降低、漏电流增加，从而影响整体性能。

Imec 创纪录的 E-mode GaN-on-Si 器件

Imec宣布，其硅基氮化镓增强型（E-mode）MOSHEMT器件在移动射频晶体管性能方面取得重大突破。该器件在5V电源供电下工作于13GHz，输出功率达到创纪录的27.8dBm，功率附加效率（PAE）达到66%，为E-mode硅基氮化镓晶体管树立了新的标杆。

imec 硅基氮化镓晶体管栅极结构的横截面 TEM 图像，突出显示了有利于增强模式 (E-mode) 操作的精确蚀刻栅极区域。

该器件架构采用8指栅极布局来扩展总栅极宽度，无需依赖多个晶体管的综合性能即可实现更高的输出功率。这种方法为在空间受限的移动前端模块中集成高性能射频晶体管提供了一条简化的途径。

为了在不影响射频效率的情况下实现常关特性，Imec 将栅极凹槽技术与氮化铟铝 (InAlN) 势垒层相结合。栅极凹槽将阈值移至增强模式，而 InAlN 势垒则补偿了通常与晶体管沟道减薄相关的性能损失。

克服接触电阻障碍

除了晶体管的开发之外，Imec还利用再生n⁺(In)GaN接触层，实现了创纪录的0.024Ω·mm的低接触电阻。这标志着在降低功率损耗和增强电流注入方面取得了关键进展——这两者对于在高频下实现高效射频操作至关重要。

低电阻接触作为单独的工艺模块开发，与增强型硅基氮化镓 (GaN-on-Si) MOSHEMT 架构完全兼容。这种模块化方法无需对现有器件结构进行根本性改变，即可实现性能扩展。

根据器件模拟，将该接触模块集成到增强型晶体管中，可使输出功率密度提高 70%。这将使该技术达到 6G 用户设备的关键性能目标，因为功率效率和尺寸尺寸对于 6G 用户设备而言至关重要。

未来之路：迈向现实世界的 6G 设备

Imec 的下一步计划是将其创纪录的低接触电阻模块集成到增强型硅基氮化镓 (GaN-on-Si) MOSHEMT 器件中。此举旨在验证实际条件下输出功率和效率的模拟增益——这对于最终在移动 6G 系统中实现商业应用至关重要。

由于用户设备中的功率放大器必须在严格的热和能量约束下提供高性能，因此将输出功率与效率完美结合至关重要。在硅平台上实现这种平衡，将使硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 在智能手机、平板电脑和紧凑型物联网设备等成本敏感、大批量应用领域中占据决定性优势。

imec首席技术人员Alireza Alian表示：“降低接触电阻对于提高输出功率并保持高效率至关重要。我们的下一步是将该接触模块集成到增强型晶体管中，并验证预期的功率和效率提升，使该器件更接近实际的6G应用。”

向 6G 时代移动硬件迈进一步

Imec 的两项突破——高性能增强型硅基氮化镓晶体管和超低接触电阻模块——代表着 GaN RF 技术在移动应用领域迈出了重要一步。这些进展共同解决了 GaN 规模部署过程中最持久的两个挑战：增强型器件的效率下降以及限制功率传输的接触损耗。

Imec 的方法将性能、集成兼容性和可扩展性整合在一个硅平台上，使硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 技术更接近于实现 6G 移动硬件。对于手机制造商、射频集成电路 (RFIC) 设计人员和无线基础设施开发商而言，这项工作有望为更小、更高效、功能更强大的前端架构打开大门，这些架构针对下一代频段进行了优化。