面向5G优化GaN异质结构
2020/5/20 13:19:03
无论选择哪种衬底，将 AlN 或 InAlN 势垒与 SiN 钝化层结合使用，都可以为 GaN 射频器件带来出色的性能。
作者：Markus Behet, Joff Derluyn, Stefan Degroote, Marianne Germain; EpiGaN/Soitec
5G的推出对于GaN来说绝对是个好消息。根据法国市场分析公司Yole Développement的专家们预计：到2024年，采用这种宽禁带半导体制成的射频器件的市场规模将会超过20亿美元。
从4G到5G的转变应该理解为：部分演进，部分革新。最受人关注的是增强移动服务的可用性，这归根结底来自于更快的速度，超低的延迟，以及功耗的降低。但是，5G也将为传统的机器到机器和物联网应用带来更多的投资，并在关键任务型服务（例如自动驾驶汽车、无人机和“远程医疗”）中开拓新的市场机会。有人甚至预计5G将成为工作流程变革的催化剂，并为竞争性的经济优势建立一套新的规则。这些变化是如此巨大，以至于IHS Markit预测5G将在2035年实现高达13.2万亿美元的全球经济产出。
随着5G网络的推出，宏观尺度上的设备密度将大大提高。将会出现更多基站，这些基站上的器件将以更高的功率密度运行。但这并不是唯一的变化。为了减轻宏基站的负担，还将出现较小的网络蜂窝（称为企业级小基站和节点基站或家庭基站），以增加网络容量并提供扩展的覆盖范围。
5G部署也正在改变RF信号的频率以及它们的发送和接收方式。它不仅设计了用于3GHz以下的频谱带，这也是当今大多数移动通信都采用的频谱带。它还利用3GHz至6GHz之间的中频谱带（这是称为sub-6GHz的频谱域），以及以前人们认为不适合移动通信的新频谱带，例如24GHz以上的毫米波区域的高频谱带。在这两个域中，带宽均超过100MHz。吞吐量和数据速率的进一步提高则来自标准天线架构转变为基于多信号的多输入和多输出，这被称为大规模MIMO。而另一个进步则是基站的有源天线波束控制，从而可以最大化频谱的效率。
在5G推出期间，越来越多的小型蜂窝天线部署将推动对紧凑、高效RF器件的需求。大规模MIMO系统的设计人员可能会发现，管理功耗和散热比管理天线阵列的复杂性更具有挑战性。在4G系统中，在设计基站散热器和电源时，功率放大器的功耗是优先需要考虑的。但是现在的关注点正在转移，因为在5G大规模MIMO系统中，信号处理电子设备的功耗已接近功率放大器的功耗了。这意味着半导体的效率将成为其中的关键考虑因素。
对于5G基础设施和手机架构，RF半导体器件的必选属性是效率、紧凑性、低成本、高功率密度和线性度。从带宽性能、功率密度和效率的角度来看，传统技术，本质上来说就是硅LDMOS或GaAs器件，并不能与GaN HEMT匹配，无论它们是在硅还是SiC上生长都不行。正是这项GaN的技术满足了5G严格的散热规范，同时又为紧密集聚的大规模MIMO天线阵列保留了宝贵的PCB空间。在基站中，分立设计已由更节省空间的多功能GaN MMIC和多芯片模块所取代。
两种类型的GaN
在生产GaN HEMT时，重要的决定是衬底的选择。选择半绝缘SiC可以满足最苛刻应用中对最终功率水平的需求，而硅的优势则是在低成本、大直径和大规模生产方面。
然而，仅仅认为衬底的选择是用来决定合算与否的想法是完全错误的。这实际上还受到势垒层的选择、钝化的质量，以及诸如晶圆的均匀性之类特征的限制。对EpiGaN这样的外延晶圆供应商（EpiGaN公司现归属于Soitec），我们将其留给客户来决定，究竟SiC衬底还是硅衬底是他们RF应用的最佳选择。我们的关注点在于通过明智地选择势垒和帽层，为每种衬底上的特定应用生产出最好的GaN HEMT异质结构。
为了在高端RF应用中使GaN-on-Si与GaN-on-SiC能够直接竞争，必须克服一些技术障碍。其中一些是本征的，包括硅的热导率比SiC低这些特性，在这种情况下，解决方案是将衬底厚度大幅度降低至50μm。但是，还有其他方面的问题，例如在外延沉积过程中，可能在硅衬底和III族氮化物缓冲层之间形成导电的界面层。这种寄生的传导路径非常有害，因为它会容性地与HEMT的沟道相耦合。这会导致不希望的射频信号损耗，并且这种损耗会随频率的增加而增加。当在这种有损耗的衬底/缓冲层组合上制造晶体管时，对于增益、功率和效率而言，都无法在高频下提供良好的性能。
为了抑制这种不希望的传导路径，我们开发并优化了一种可靠的界面技术。对于高至Ka波段的频率，我们可以将硅上GaN材料上的RF信号损耗降低到0.4dB/mm以下。如此低的损耗，使得硅上氮化镓HEMT的射频性能非常接近其碳化硅上氮化镓器件的性能。此工艺可用于直径最大为200mm的高阻硅衬底，我们基于此生产了外延片，非常适合制造5G的sub-6GHz和毫米波频段的器件。
通吃型势垒？绝不可能！
如今，工作在sub-6GHz频段的RF功率放大器的主要承担者是SiC上GaN HEMT，该器件具有20nm厚的AlGaN势垒，铝组份约为25％。该三元势垒由通常为2~3nm厚的超薄GaN层覆盖和�；ぃ�1）。
图1. 典型的GaN HEMT异质结构。
我们的观点是，在更高要求的毫米波波段和低压应用中，这种主流的势垒有时候可能不是最佳的选择。对于这些情况，我们已经开发出新的异质结构，该异质结构将原位SiN保护层与二元AlN层或晶格匹配的InAlN势垒结合在一起。下面我们将概述这两种势垒选择的优点。
二元AlN势垒的优势之一在于，它可以使该层的厚度从大约20nm的典型值减小到3nm至6nm之间。这为将晶体管的栅极非�？拷缌髅芗墓档来蚩艘簧让�，进而最大化了两者之间的静电耦合，从而能够实现更好的栅极控制，并最终带来了极其出色的RF晶体管特性。
例如，当栅极靠近沟道时，晶体管的跨导将增加。此外，这还可以抑制短沟道寄生效应，当将晶体管栅极的栅长缩小至0.15μm以下时，这种短沟道效应可能会损害跨导。AlN势垒的另一个好处，是它具有很高的固有压电效应，使得晶体管的二维电子气载流子密度超过2×1013cm-2。只要使用适当的散热芯片布局，这就会实现功率密度的极大提高，以及芯片尺寸的显著减小。
通过使用InAlN而不是AlN，可以通过使用In0.17Al0.83N合金来产生晶格匹配的势垒。将这种三元化合物与GaN匹配已经引起了人们广泛的关注，因为这种组合具有很大的自发极化，而且不会因为在AlGaN/GaN中会产生的高应变而受到损害。这些优点使得InAlN/GaN的异质结构具有比AlGaN/GaN更高的面载流子密度，同时又保持了良好的电子迁移率。在器件级别，这意味着HEMT具有更高的最大电流能力，而这对于在高达毫米波频率下工作的大功率器件来说是至关重要的优点。
我们已经在SiC和硅衬底上都开发出了InAlN/GaN异质结构。使用晶格匹配条件，并且InAlN势垒厚度为10nm或更小，我们可以生产出典型的面电阻率为220Ω/sq，迁移率为1700cm2V-1s-1，且面载流子密度为1.6×1013cm-2的材料。
在我们的外延晶圆的顶部，我们增加了通过MOCVD原位生长的高质量SiN层。由于SiN的前几个单层是晶体，因此界面陷阱密度非常低（请参见图2）。该SiN层可以用于好几个目的。它可以提供表面钝化，在生长后直接密封GaN晶圆的顶部；它可以用作栅极电介质；它可以阻止应变层的弛豫；并且它可以防止III族氮化物层暴露于晶圆厂环境中，从而使得可以在硅CMOS晶圆厂中加工硅上GaN晶圆。
图2. 原位SiN覆盖的AlGaN/GaN HEMT结构的透射电子显微镜，显示出SiN的性质。该材料在靠近势垒的界面处为晶体，而远离势垒层时则为非晶体。
原位SiN帽层的另一个好处是，它可以在器件工作期间控制表面状态的填充。这可以抵抗电流崩塌，原因是与二维电子气的耗尽有关。由于增加SiN可以提供足够的电荷，以此中和AlGaN势垒层的表面电荷，从而其表面电势不再有助于二维电子气的耗尽，因此可以避免电流崩塌。最后，当在HEMT中增加SiN层时，这些器件具有高温下出色的稳定性。
毫米波的优点
对于在5G毫米波段工作的器件，高频性能是前提条件，至关重要。经过仔细检查HEMT的增益、功率密度和功率附加效率，揭示出由标准AlGaN/GaN异质结构制成的HEMT并不是Ka波段5G大规模MIMO天线系统的最佳选择。对于这些具有挑战性的规格，更好的选择是采用超薄AlN或晶格匹配的InAlN势垒与原位SiN帽层结合的设计。具有这些特点的HEMT通过抑制短沟道效应同时实现最高的电流密度，从而可以提供出色的性能。
为了产生出色的高频性能，有必要缩小器件的尺寸，同时使用优化的异质结构来减轻高电场下的短沟道效应。通过与IEMN-CNRS（法国科学研究中心下属的微电子和纳米技术研究所）的工程师合作，我们确实实现了这个目标。所生产的小晶体管具有3nm厚的AlN势垒，并盖有10nm厚的SiN原位层（见图3），获得了目前最高水平的功率附加效率。在脉冲模式下驱动时，对于高达30V的漏源电压，该效率在40GHz时约为60%（见图4）。输出功率密度达到5.4W/mm。当此电压增加到40V时，对于8.3W/mm的饱和功率密度，功率附加效率仍然超过50%。即使在更高的频率下，也能保持这种出色的性能水平，在94GHz时，栅长为110nm的原位SiN帽层的AlN/GaN晶体管，在20V的漏源电压下产生了出色的4W/mm功率密度（请参见图5）。初步的大信号可靠性评估也产生了可喜的结果。在24小时的运行过程中，由于出色的原位SiN表面钝化能够增强表面可靠性，因此没有出现器件性能下降的任何迹象。
图3. 使用3nm AlN势垒覆盖10nm原位SiN的110nm栅长SiC上GaN HEMT结构；由法国里尔的IEMN的F. Medjdoub提供。
图4. 2×50μm AlN/SiN HEMT（栅长110nm，栅漏间距为1.5μm），在40GHz下Vds为10V，20V，30V和40V*时的脉冲功率性能 ，*表示仅功率匹配；由法国里尔的IEMN的F. Medjdoub提供。
图5. 在V=20V时，2×25μm AlN/SiN HEMT（栅长110 nm，栅漏间距为0.5μm）在94GHz时的连续波功率性能；由法国里尔的IEMN的F. Medjdoub提供。
我们还与欧洲领先的150毫米GaN代工厂Ommic合作，以进一步验证采用我们的材料所生产器件的性能。Ommic在我们的SiN/AlN/GaN-on-Si HEMT技术上开发了具有完整设计套件的100nm栅长，开放式代工MMIC工艺。
Ommic工艺线上生产的器件进一步证明，采用我们的材料所制成的GaN HEMT相比在标准工艺生产的GaAs pHEMT具有优越性�；鞔┑缪垢吆芏�，达到40V，这会实现更高的Ka波段输出功率密度（在30GHz达到3.5W/mm），以及在输入失配条件下更高的可靠性。
Ommic的设计人员还生产了完全集成的5G用30GHz收发器（见图6）和5G用40GHz功率放大器。30GHz硅上GaN收发器的芯片尺寸仅为11mm2。放大器和开关收发器部分的输出功率超过35.5dBm，而低噪声放大器和开关收发器部分在接收模式下的增益超过20dB，这是一个极好的数值（请参见图7）。同时，40GHz的硅上GaN功率放大器具有以下特性：在9dB的功率回退下工作时，P1dB为10W，线性增益为20dB，功率附加效率超过20%（见图8）。
图6. 完全集成的毫米波5G用26-34GHz发送器/接收器产品，采用了EpiGaN的硅上GaN RF HEMT外延晶圆技术；由法国Limeil Brévannes的Ommic公司提供。
图7. 图6所示的毫米波5G硅上GaN收发器MMIC的发射器功率放大器的输出功率和接收器小信号增益；由法国Limeil Brévannes的Ommic公司提供。
图8. 5G用40GHz硅上GaN功率放大器的输出功率、增益和功率附加效率；由法国Limeil Brévannes的Ommic公司提供。
我们与IEMN-CNRS和Ommic的合作突显了RF GaN技术在5G蜂窝网络中的强大能力。设计人员是选择SiC衬底上的GaN更好，还是选择硅衬底上的GaN更好，这取决于特定要求，例如特定RF应用的成本与性能之间的权衡。SiC上GaN已经从硅LDMOS技术中抢占了4G-LTE基站射频接头的市场份额，并且在毫米波、点对点回传系统中针对GaAs pHEMT技术取得了成功。
与此同时，硅上氮化镓正在迅速缩小性能差距，并且提供了一个诱人的机会来通过规模经济实现成本降低。这些正在帮助RF GaN技术开始在许多现有应用中实现创新。
对于任何半导体技术，要真正进入大众市场，都需要成熟的供应链。针对5G的RF GaN技术已开始形成气候。我们看到独立的器件制造商和纯粹的代工厂正在将自己重新定位，从而为RF GaN器件制造建立牢固的供应链。
那么如何看待智能手机这个现在所有半导体技术的圣杯呢？乍看之下，GaN对于智能手机似乎并不理想，因为该器件较高的电源电压（通常为10V或更高），不适用于通常使用3V至5V的手机。但这并不是一个致命的问题，因为可以通过器件工艺调整来弥补这一差距。一些最大的手机业务组件供应商已经在讨论用于支持5G毫米波智能手机的硅上氮化镓技术。
由于引入了载流子聚合以及针对多模式、多频段功率放大器不断提高的性能要求，因此标准将继续向前演化发展。这可能会发挥RF硅上GaN技术的作用，因为该技术具有扩展的内在优势，并且很快将成为5G移动器件的有力竞争者。
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