研究報告顯示，氮化鎵(GaN)高電子遷移率電晶體(HEMT)和磷化銦(InP)異質接面雙極電晶體(HBT)成功在矽技術平台上實現微縮化，並與互補式金屬氧化物半導體(CMOS)元件共整合，滿足新一代高流量無線網路的技術需求。
5G/6G資料量激增 三五族助攻高頻製程
時光荏苒，無線傳輸的資料量與日俱增，使用族群也正不斷擴大。為了趕上這波潮流，並提升資料傳輸的速度與效率，第五代行動通訊系統(5G)現已逐步啟用，業界也著眼未來，展開籌備。5G實現了高達10Gbps的資料傳輸率，而6G預計能在2030年後升級至100Gbps。除了想辦法連結更多的資料與裝置，研究人員也持續探討新一代無線網路如何支援新興應用，例如自動駕駛、全像顯示等。
為了達到這種等級的超高資料傳輸率，電信業不斷提高無線訊號所使用的頻率。5G最初使用6GHz以下的頻段，但主攻28GHz或39GHz的產品已經亮相。介於6~20GHz的第三型頻率範圍(FR3)因為能在覆蓋範圍和流量之間取得平衡，也越來越受到關注。至於6G，目前也在討論100GHz以上的頻段分配。
高頻傳輸有幾項優點，包括開發新的頻段，以及解決現有頻段頻譜有限的問題，並且越往高頻運作，越容易取得更大頻寬。理論上，運用100GHz以上的超高頻段及30GHz以上的頻寬，電信業者就能採用低階調變方法來進行無線資料傳輸，進而降低傳輸功耗。高頻特性也與較短波長(λ)有關。當天線陣列的尺寸隨著λ2變小而持續微縮，封裝就會更加緊湊。這也有助於實現波束成形，該技術能提高送達預定接收器的訊號強度。
不過，高頻運作仍有其弊害。互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術是目前訊號收發器元件的首選製程。這包含了前端模組的功率放大器，這些元件負責發送與接收天線之間的射頻訊號。操作頻率越高，CMOS功率放大器就越難以高效率達到所需的輸出功率。
這時，氮化鎵(GaN)和磷化銦(InP)等技術可以派上用場。這些三五族半導體具備優異的材料特性，因此很可能在高頻操作下滿足對輸出功率和效率的需求。以氮化鎵為例，其電流密度高，電子遷移率高，而且崩潰電壓大，其高功率密度也能實現小尺寸設計，整體系統能在維持性能的同時減少系統尺寸。
超越CMOS：氮化鎵、磷化銦的高頻性能
在一次模擬試驗中，比利時微電子研究中心(imec)研究團隊比較了三種功率放大器在140GHz操作頻率下的性能表現：CMOS完整設計、CMOS波束成形器搭配矽鍺(SiGe)異質接面雙極性電晶體(HBT)，以及單顆磷化銦HBT(圖1)。磷化銦在輸出功率(超過20dBm)及能源效率(20%~30%)方面曾是最佳材料。模擬結果也顯示，磷化銦可在使用較少天線的情況下達到最佳的能源效率。對於尺寸受限的應用，例如行動裝置等用戶設備，這點尤其引人注目。
圖1 比較CMOS、矽鍺及磷化銦元件在具備不同天線數量的訊號發送器中的功耗變化(發表於2022年IEEE國際電子會議)
然而，在較低頻的毫米波方面，氮化鎵展現絕佳性能。根據觀察，採用碳化矽(SiC)基板的氮化鎵HEMT在28GHz和39GHz頻段的輸出功率及能源效率勝過CMOS元件和砷化鎵(GaAs)HEMT。過去研究考量的潛在應用包含由16根天線組成的固定無線接取(FWA)及具備4根天線的用戶設備(圖2)。
圖2 比較採用三種不同技術時，固定無線接取(左)與用戶設備(右)在28GHz及39GHz操作頻率下的輸出功率(發表於2022年IEEE國際電子會議)
微縮潛力與挑戰
儘管如此，若考量成本和整合難易度，氮化鎵及磷化銦技術目前尚無法與CMOS技術媲美。三五族元件通常使用小尺寸且高成本的非矽基板，量產製程通常較不合用。將這些元件與8吋或12吋矽晶圓整合可以維持優異的射頻性能，同時達到整體最佳化，目前頗受矚目。一方面，矽基板的成本較低；另一方面，與CMOS相容的製程能夠實現量產。
為了在矽技術平台上整合氮化鎵及磷化銦，在設計、材料與製造技術方面，必須結合新興電晶體與電路，其中一大挑戰是嚴重的晶格不匹配。磷化銦(InP)與矽材的不匹配程度為8%，氮化鎵則為17%，導致元件層之間出現大量缺陷，最終折損元件性能。
另外，我們必須讓矽基氮化鎵(GaN-on-Si)及矽基磷化銦(InP-on-Si)元件與CMOS元件共整合於一個完整系統。氮化鎵與磷化銦技術初步將用於前端模組的功率放大器。低雜訊放大器與開關元件也能受益於這些化合物半導體的特殊材料性質，但最後還是需要CMOS技術來進行校正、控制和波束成形。
imec在其先進射頻研究計畫中，攜手業界夥伴探索多種方法，以便在大尺寸矽晶圓上整合氮化鎵及磷化銦元件，並實現與CMOS元件的異質整合。各式應用的優劣分析也納入評估，包含固定無線接取(FWA)等基礎設施以及用戶設備。
深化5G/6G布局 氮化鎵/磷化銦微縮再進化(1)
深化5G/6G布局 氮化鎵/磷化銦微縮再進化(2)