基於氮化鎵(GaN)的金屬-絕緣體-半導體(MIS)HEMT在5G先進高容量無線傳輸應用正被廣泛研究。比利時微電子研究中心(imec)近期發表了在8吋矽晶圓上製造的氮化鋁(AlN)/氮化鎵(GaN)MIS-HEMT，該元件能在28GHz的操作頻率下展現高輸出功率及能源效率。
業界正在針對兩種不同的射頻(RF)應用案例進行研究：(1)將氮化鎵(MIS)HEMT用於行動裝置的功率放大器電路，操作頻率相對較低(電源電壓VDD低於10V)；(2)電源電壓VDD高於20V的基地台。針對第二種應用，GaN-on-SiC的發展潛力更大，但碳化矽(SiC)基板的成本高昂，尺寸也較小；將氮化鎵(GaN)HEMT整合在矽基板上提供了可觀的成本優勢，也利於這項技術持續擴大規模發展，但基於GaN-on-Si的(MIS)HEMT性能卻不盡理想。
imec研究員暨先進射頻研究計畫主持人Nadine Collaert解釋，該技術的挑戰在於以高頻運作(即小訊號的截止頻率fT及最大振盪頻率fmax)，同時達到高輸出功率與高能源效率(即元件的大訊號性能)。imec於2023年IEEE國際電子會議(IEDM)所展示之矽基氮化鎵(GaN-on-Si)MIS-HEMT技術，鎖定配備氮化鋁(AlN)阻障層的矽基氮化鎵MIS-HEMT，以此滿足基礎設施對高功率空乏型(d-mode)元件及行動手持裝置對低功率增強型(e-mode)元件的需求。
Collaert表示，這些氮化鎵MIS-HEMT具備相對鬆散的閘極寬度(100nm)，在不同性能指標方面展現絕佳的性能。具體來說，針對10V以下的低功率應用可以達到2.2W/mm(26.8dBm)的飽和輸出功率(PSAT)，並在28GHz的操作頻率下，達到55.5%的功率附加效率(PAE)。
圖1 在同一塊矽基板上整合氮化鎵MIS-HEMT、MOS-HEMT和氮化鋁/氮化鎵HEMT，比較這些元件的大訊號性能(操作頻率為28~40GHz)。圖片顯示透過閘極寬度(W/mm)進行標準化後，不同元件在PAE及飽和PSAT方面的表現 (圖片來源：imec)
此外，針對20V以上的基地台應用，該技術在28GHz操作頻率下也展現了大訊號性能，包含2.8W/mm(27.5dBm)的飽和輸出功率(PSAT)及54.8%的功率附加效率(PAE)。Collaert補充，imec的氮化鋁(AlN)/氮化鎵(GaN)MIS-HEMT仍屬於空乏型(d-mode)元件，未來將透過進一步的元件堆疊工程技術來開發增強型(e-mode)元件。
為了改良元件性能，需要針對氮化鋁(AlN)和氮化矽(Si3N4)元件層厚度所帶來的影響進行全面性研究，這些元件層分別用來當作截止阻障層及閘極介電層。舉例來說，超薄的元件堆疊能實現高頻運作，但也會在大訊號性能方面出現因電晶體陷阱所誘發的電流崩塌(Current Collapse)及元件崩潰(Breakdown)現象。
在IEEE國際電子會議上，imec也展示了針對導通狀態下的氮化鎵HEMT崩潰元件的更廣泛研究，揭示該機制背後的可靠度議題。Collaert表示，這些基礎研究提供imec一套模擬平台，可以針對特定應用案例，進一步優化其氮化鎵堆疊設計。