随着对带宽的需求持续增长和现有无线电频谱变得拥挤，电信行业正在寻找新技术来满足未来移动通信的需求。对更多带宽的追求与使用更高的无线电频率有着千丝万缕的联系，而更高的工作频率意味着更多的可用带宽。

研究人员在研究新的 III-V 族材料（例如磷化铟）用于 100GHz 以上的频率时，他们预计基于 GaN 的技术将在 RF 频谱的较低毫米波部分（即低于 50GHz）中发挥重要作用。正因为如此，GaN 有望服务于下一代 5G 网络，并可能服务于 6G 的早期版本。

GaN 技术将其用于射频/较低毫米波通信的潜力归功于其出色的物理特性：它具有高电流密度、高电子迁移率和高击穿电压。由于其高迁移率，该技术可以处理比当今基于硅的技术更高的开关频率。

除了速度之外，基于 GaN 的技术还因其功率处理能力而备受推崇，这使其能够以良好的能效提供高输出功率。这些特性可以使 GaN 成为一种极具吸引力的技术，可用于位于下一代移动手机和小型基站前端模块中的功率放大器(PA)。这些前端模块将 RF 信号发送到天线或从天线接收。与传统的基于 Si 或 SiGe 的技术相比，GaN 的更高功率处理能力转化为更高的传输范围和/或更少的驱动天线所需的元件。

降低外形尺寸和成本：迈向可行的硅基氮化镓技术平台

为了适合用作用户设备和小型基站中的 PA，设备的成本和形状因素与其电气特性一样重要。如前所述，由于该技术的固有特性，GaN 有助于减小前端模块的外形尺寸。但要实现高度缩放的外形尺寸，需要集成射频前端技术的各种组件。为了帮助实现这一目标，imec 正在将其GaN-on-Si 技术平台调整为 RF 应用，作为其 Advanced RF 计划的一部分。

出于节省成本的原因，Imec 选择了 GaN-on-Si 而不是 GaN-on-SiC ：不仅 Si 衬底更便宜，而且与CMOS 兼容工艺还可以实现大规模可制造性。GaN-on-Si 技术最初是为电力电子应用开发的，设想用于在电池充电器、计算机、服务器、汽车、照明系统和光伏设备中实现功率转换。然而，要使 GaN-on-Si 适合移动 RF 应用，还需要多项技术创新。必须尽可能地抑制器件结构内的寄生效应以达到高频。这些努力的例子包括通过开发具有升高的源极/漏极的技术模块和减少与栅极相关的寄生电容等方法来降低源极访问电阻。为更高的工作频率优化器件还需要进一步缩小栅极长度。这有利于更高的 fT和 f max，它是设备固有速度的度量。此外，缓冲层必须与 RF 兼容，以最大限度地减少 RF 衬底损耗。

Imec 用于 RF 的 GaN-on-Si工艺流程从 200 毫米硅晶片上外延结构的金属有机化学气相沉积生长开始。外延结构由专有的 GaN/AlGaN 缓冲结构、GaN 沟道、AlN 间隔层和 AlGaN 势垒组成。带有 TiN 肖特基金属栅极的 GaN HEMT 器件随后与低温三级 Cu 后端工艺集成。

正如 2020 年国际电子器件会议 (IEDM 2020) 上展示的那样，Imec 研究人员使用这个 CMOS 兼容平台来制造 GaN HEMT。栅极金属堆叠、接触电阻和栅极长度按比例缩放至 110nm 的优化导致器件的 fmax 达到135GHz ，这代表着向毫米波应用迈出了一步。

PA 的关键品质因数是晶体管可以提供的输出功率和效率。在 imec 的 GaN-on-Si 平台上获得了具有竞争力的结果，对于 0.19μm 的栅极长度 ( LG) 设备在 6GHz。这些结果在 2022 年欧洲微波周上展示。

在 IEDM 2022 上展示，比较了imec GaN-on-Si 工艺与其他 GaN-on-Si 和 GaN-on-SiC 工艺的性能。红色的 imec 数据是 GaN-on-Si 器件的最佳报告之一，可与 GaN-on-SiC 器件相媲美。使用较短的栅极长度可以提高 28GHz 下的测量性能。通过这些改进，imec 相信，专为满足用户设备要求而设计并采用 GaN-on-Si 工艺制造的放大器的 PAE 首次实现了与同等 GaN-on-SiC 放大器的同等水平。

近年来，在电力电子市场增长的推动下，GaN-on-Si 技术已经相当成熟，这主要归功于最初旨在用于电力电子应用的技术的发展。考虑到成熟度，深入研究设备操作背后的物理机制提供了一个额外的工具来改进设备特性。Imec 通过建模活动补充技术开发，最终将有助于实现更好的性能和可靠性。所获得的见解不仅有利于开发用于毫米波应用的 GaN HEMT 器件，而且还将提高其他应用领域的性能，包括基于 GaN 的电力电子产品。

imec 研究人员首次揭示了离子注入背后的确切机制，作为一种电隔离 GaN HEMT 器件的技术。这些见解有助于改善工艺条件，以便在针对 RF/mmWave 通信时获得良好的隔离质量。这些发现也可以扩展到电力电子应用。

此外，该研究导致了一种新方法来估计孤立的基于 GaN 的异质结构中的净缺陷密度。这些活动适合更广泛的射频应用GaN 器件优化框架通过技术和建模。这些努力和结果说明了揭示技术构建模块背后的物理秘密如何有助于将这些基于 GaN 的设备提升到更高的成熟度水平。