GaN-on-Si RF電晶體技術為6G PA應用鋪路

當今智慧型手機的功率放大器(power amplifier，PA)主要採用砷化鎵(GaAs)異質接面雙極電晶體(HBT)。這類放大器在低頻段運作時通常具備不錯的效率，但在更高頻的FR3頻段範圍(約7~24GHz)中，效率與增益皆明顯下降。

當運作頻率超過10GHz後，系統將會面臨電池消耗快速增加與輸出功率不足等問題，使得業界迫切需要一種替代的射頻(RF)電晶體技術，以便能在行動裝置電壓下同時維持高功率與高效率。

氮化鎵(GaN)元件，尤其是製作在碳化矽(SiC)基板上製作的版本，由於具有寬能隙(wide bandgap)、高功率密度與優異的耐壓特性，已被廣泛應用於高功率基地台放大器中。然而，SiC基板的高成本使其難以應用於成本敏感的智慧型手機市場。

為了解決這一瓶頸，比利時微電子研究中心(imec)推出一項專為行動功率放大器設計的氮化鎵矽基(GaN-on-Si)電晶體技術，並鎖定6G應用。該方案在10~20GHz頻率範圍內展現高輸出功率與卓越的功率附加效率(PAE)，可望為未來行動前端模組(FEM)奠定新技術路線。

在接受Embedded.com專訪時，imec RF電晶體技術首席研究員Bertrand Parvais指出：「目前的GaAs技術受限於既有製程與微影條件，其效能通常被限制在約6GHz左右。」

他進一步說明：「另一個替代方案是砷化鎵高電子遷移率電晶體(HEMT)，這類元件在高頻操作下表現良好。然而，就功率密度而言，我們所提出的GaN-on-Si方案略勝一籌。」

GaN-on-Si製程與設計創新

GaN-on-Si技術的進展主要基於三項核心創新：閘極凹陷(gate recessing)、InAlN勢壘層(Indium Aluminum Nitride barrier)與重生歐姆接觸(regrown ohmic contacts)。imec開發的GaN MOSHEMT採用閘極凹陷設計，並在GaN/Si基板上結合InAlN勢壘，以實現增強操作。

Parvais解釋：「我們必須在高電流密度(以提升功率)與較高臨界電壓(以確保控制穩定)之間取得平衡。這是一項艱鉅的挑戰，而我們的解法是使用閘極凹陷技術，透過限制閘極下方的厚度(而非接取區域)，達到此目標。」

透過閘極凹陷，imec成功實現正臨界電壓，並降低膝電壓(knee voltage)。在傳統GaN HEMT架構中，AlGaN勢壘層在閘極下方與源極/汲極間厚度均勻；而imec則選擇性地在閘極下方削薄勢壘層，以降低該區域的通道電荷。當閘極下方的勢壘被凹陷後，電晶體通道在0V時會部分耗盡，使臨界電壓偏向正值。

閘極外部的勢壘則維持較厚，以確保源極/汲極區仍能保有高密度的二維電子氣(2DEG)，進而保持低接取電阻。這種「選擇性凹陷」設計兼顧了閘極下方的高臨界電壓(VT)與閘極外區的高導電性，達成高效率電流傳導的平衡。

圖1：GaN-on-Si電晶體中閘極結構的截面TEM影像。

(來源：imec)

其最終結果是一種可在0V下完全關閉(off)，且在偏壓(bias)條件下仍保持低通道電阻與強電流驅動力的增強型GaN電晶體。此設計滿足e-mode操作需求，同時支援低電壓系統運作。

Parvais指出：「低電壓應用最大的挑戰在於，系統設計人員希望在維持現有架構的前提下引入新技術。然而，採用e-mode電晶體時，臨界電壓必須為正值。」除了閘極凹陷外，imec亦導入新勢壘材料InAlN，以實現更高的極化電荷。

imec表示，選擇InAlN的原因在於其極化電荷高於傳統AlGaN，可使電晶體在導通時獲得更多電子。Parvais進一步說明，「電子數越多，導電能力越強；而功率正是電流乘上電壓的結果。」

低阻歐姆接觸的創新設計

在源極與汲極區域，imec再度進行突破。為了降低接取電阻(R_access)，並進一步降低整體導通電阻(R_on)，研究團隊導入重生n+ GaN接觸模組(regrown n+ GaN contact module)。簡而言之，研究人員於源極與汲極區選擇性地生長含銦(indium)的高摻雜n型GaN，以形成低阻歐姆接觸。imec報告顯示，該設計實現了0.024Ω·mm的接觸電阻。相較之下，一般GaN HEMT的接觸電阻約為0.1Ω·mm，顯示此技術在導電性能上取得顯著提升。

針對6G行動功率放大器所優化的GaN-on-Si電晶體，在13GHz中心頻率與5V電源條件下，展現27.8dBm的輸出功率密度與66%的功率附加效率。

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