半導體異質整合前進6G高頻世代(2)

無論給定半導體材料中上述參數程度明顯與否，對其應用領域均有極大影響。表1列出不同半導體材料的特性及應用，並於下文詳述各材料的優勢及挑戰。

砷化鎵(GaAs)

GaAs具有相對較高的電子遷移率和飽和速度(圖1)，具體數值視摻雜濃度而定，因此可實現極高頻率。雖然GaAs材料成本高昂，但發展歷史較為悠久，工業界積累了較長時間的經驗。

如今，GaAs技術可用於蕭基二極體、贗配高電子遷移率電晶體(pHEMT)和異質接面雙極性電晶體(HBT)。即使在高頻條件下，GaAs pHEMT技術亦表現出良好的寬頻雜訊。HBT特別適用於需要低1/f雜訊與高崩潰電壓相結合的情況。GaAs蕭基二極體可用於生產高達4.7THz的極低雜訊接收機，還可用於高達數THz的高效倍頻，使其發展為一種極為通用的毫米波技術。

GaAs混頻器和倍頻器裝置可作為MMIC整合於模組中，或將覆晶轉移到主基板上，用於改善介質負載和/或熱耗散。

磷化銦(InP)

InP具有最高的電子遷移率和飽和速度，因此可實現極高頻率。然而，InP材料成本高昂，且晶圓/晶片處理困難。

InP技術存在異質接面雙極性電晶體(HBT)和高電子遷移率電晶體(HEMT)兩種形式。雙極性電晶體通常用於最先進SiGe HBT速度和/或崩潰不足的類比積體電路。InP HEMT在400GHz以上有其應用領域，主要用於頻率高達700GHz的超低雜訊放大器。

從應用角度來看，除使用GaAs基板外，砷化鎵(InGaAs)變晶HEMT(mHEMT)技術可與InP HEMT技術媲美。

氮化鎵(GaN)

已證實GaN可製造藍色發光二極體(LED)(銦鎵氮(InGaN))，隨後又證實GaN可製造藍光雷射，GaN由此受到業界廣泛關注，使得相關發明者於2014年獲得諾貝爾物理學獎^[2]。GaN還可為高功率應用提供某些有利材料特性，即高能隙、高崩潰場強，以及與碳化矽(SiC)基板結合使用所具備的良好熱導率。這使得GaN電晶體可在高偏置電壓下工作，進而提供高輸出功率。由於缺乏成熟的塊狀GaN源材料且GaN熱導率不足，需要在載體基板上生長GaN異質結構，如碳化矽(SiC)、矽，甚至是鑽石。SiC的導熱性以及和GaN的低晶格失配性為其優勢，成為高功率、高頻率應用的主流基板材料。矽基氮化鎵是一種更具成本效益的解決方案，對於與CMOS的單片整合來說非常合理。與SiC相比，矽(Si)基板介電損耗明顯更高，這對毫米波MMIC而言具有顯著影響。此外，在室溫下熱導率相差三倍，SiC基板表現更加優異(400W/(m．K)對130W/(m．K))。由於GaN HEMT電晶體的安全工作區域受到熱邊界條件限制，為了實現高輸出功率和合理平均失效時間(MTTF)，基板熱導率至關重要。

GaN更具效率優勢且在更高通道溫度下仍可操作，這使其幾乎完全取代了矽基橫向擴散金氧半導體(LDMOS)技術而應用於10GHz以下基站。GaN最近也用於微波回程(Backhaul)應用。

上述GaN高能隙與+200℃的最高通道溫度相結合，使該技術成為惡劣環境下的最佳選擇。該技術高能隙和在廣泛溫度範圍內(晝夜)操作的能力，及其抗輻射性質，可特別使相關星載應用受益。與其他半導體技術相比，GaN放大器系統可表現出極低的質量與輸出功率比及體積與輸出功率比。

鍺化矽(SiGe)HBT和互補金氧半導體(CMOS)

SiGe異質接面雙極性電晶體(HBT)還可表現出相當優異的電子遷移率，使其得以用於高速類比應用。如果與互補金氧半導體(CMOS)技術相結合，此優勢將得以繼續發揮，並以適度的成本實現包含高速類比和數位功能的混合訊號專用積體電路(ASIC)。CMOS和SiGe HBT相結合通常稱為「雙極互補金氧半導體(BiCMOS)」製程。利用成熟的CMOS製程，將高頻元件與類比/數位訊號處理電路整合至同一晶片，未來可望將整合度和靈活性發展至前所未有的水平。

SiGe HBT本身即為一種廣泛用於汽車雷達應用或短程通訊的材料。在這裡，該技術的崩潰電壓足以提供必要輸出功率。近來，為了在高體積和高整合密度情況下獲得較低的單片晶片生產成本，業界也對這種材料用於微波回程產生了興趣。

作為6G研究課題的異質整合

與毫米波應用相關的不僅僅是單一半導體技術，各種半導體技術的異質整合因此成為最新6G研究領域，以用於優化性能和能源消耗，例如InP(速度)、CMOS(整合密度)和GaN(輸出功率)的組合研究。

先進毫米波功率放大器概述

5G和6G的應用正在突破頻率界限。相關資料點「集中」於所驅動的應用周圍。

圖2為先進毫米波放大器概觀，圖中資料來源於參考資料[3]和[4]所收集的數據，每個資料點代表多年來發表於論文中的測量值。左圖包括截至2016年的測量值，而右圖圖表則總結截至2020年的論文數據。

很明顯，資料點(不同半導體技術以不同顏色標記)在頻率範圍內並非均勻分布，而是集中在某些頻段，可以明顯看出推動發展的應用圍繞某些頻率分配進行分組。例如，在28GHz附近發表有大批成果，這些成果與5G新無線電(NR)毫米波段的基礎設施和終端電路開發有關，如n258(24GHz~28GHz)、n257(26GHz~30GHz)和n260(37GHz~40GHz)。另一組成果集中於WiGig 60GHz左右，其中含有大量基於CMOS的電路。

最後一組70GHz~95GHz之間的資料點集中於各種應用。77GHz用於汽車雷達，而一些成像雷達系統則在94GHz附近運作。此外，圖表中還可發現E頻段回程和點對點高資料速率通訊連結。

值得注意的是，僅有少數涉及100GHz以上頻率的成果發表於2016年以前。然而，近年來業界已在更高毫米波段取得巨大進展。這主要歸功於基於InP的設計，部分歸功於基於SiGe和InGaAs mHEMT系統的設計。下一代6G通訊顯然是這一進展背後的驅動力。

功率放大器的頻譜分布甚至已經在更低的功率水平(Power Level)發展至300GHz以上，以幾毫瓦功率水平發展至500GHz^{[5] [4]}，以次毫瓦功率水平發展至1THz^[6]。

(本文作者皆任職於Rohde & Schwarz)

參考資料

[1] F. Roccaforte and M. Leszczynski, Nitride Semiconductor Technology: Power Electronics and Optoelectronic Devices, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2020.

[2] S. Nakamura, "Nobel Lecture: Background story of the invention of efficient blue InGaN light emitting diodes," Rev. Mod. Phys., vol. 87, p. 1139, 2015.

[3] M. Cwiklinski, "Design of Millimeter-Wave Power Amplifiers in GaN HEMT Technology," Ph.D. Dissertation, 2021.

[4] H. Wang et al., "Power Amplifiers Performance Survey 2000-Present," https://gems.ece.gatech.edu/PA_survey.html.

[5] B. Gashi et al., "Broadband 400-GHz InGaAs mHEMT Transmitter and Receiver S-MMICs," IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 11, no. 6, pp. 660 to 675, Nov. 2021.

[6] X. Mei et al., "First Demonstration of Amplification at 1 THz Using 25-nm InP High Electron Mobility Transistor Process," IEEE Electron Device Letters, vol. 36, no. 4, pp. 327 to 329, April 2015.

半導體異質整合前進6G高頻世代(1)

半導體異質整合前進6G高頻世代(2)