Imec verbetert RF GaN-op-Si-transistorprestaties voor hoogefficiënte 6G-vermogensversterkers

Imec zegt een nieuwe maatstaf te hebben gezet voor de prestaties van RF-transistoren voor mobiele toepassingen.

Het presenteert een galliumnitride (GaN) MOSHEMT (metaaloxide-halfgeleidertransistor met hoge elektronenmobiliteit) op silicium (Si) die zowel een recordrendement als een recorduitgangsvermogen behaalt voor een enhancement-mode (E-mode)-apparaat dat werkt bij een lage voedingsspanning.

Daarnaast demonstreerde imec ook een recordlage contactweerstand van 0,024 Ω· mm, wat essentieel is om het uitgangsvermogen in toekomstige ontwerpen verder te verhogen.

De resultaten markeren een stap in de richting van de integratie van GaN-technologie in mobiele apparaten van de volgende generatie, met name die gericht zijn op de 6G FR3-band tussen 7 en 24 GHz. De resultaten zullen worden gepresenteerd tijdens het Symposium on VLSI Technology and Circuits 2025 in Kyoto, Japan.

Toekomstige 6G-systemen

De huidige mobiele netwerken werken grotendeels onder de 6 GHz, maar om te voldoen aan de datasnelheidseisen van toekomstige 6G-systemen, is een verschuiving naar hogere frequenties nodig. In deze banden hebben huidige mobiele oplossingen gebaseerd op galliumarsenide (GaAs) HBT’s (heterojunction bipolar transistor) moeite om de prestaties te behouden. Hun efficiëntie en versterking nemen aanzienlijk af boven de 10 tot 15 GHz, wat leidt tot een snelle batterijontlading en een laag energieverbruik in gebruikersapparatuur. GaN wordt algemeen erkend als een veelbelovend alternatief vanwege de hogere vermogensdichtheid en doorslagspanning. Hoewel GaN-transistoren op siliciumcarbide (SiC) sterke RF-prestaties hebben laten zien in hoogfrequente basisstationtoepassingen, blijven de kosten en de beperkte waferschaalbaarheid van SiC barrières vormen voor de mobiele markt.

Silicium is een schaalbaarder en kosteneffectiever platform, maar het bouwen van hoog-efficiënte GaN-transistors hierop is een uitdaging vanwege de rooster- en thermische mismatch tussen de twee materialen, wat de materiaalkwaliteit en de betrouwbaarheid van het apparaat in gevaar kan brengen. De uitdaging is nog groter voor E-mode-ontwerpen – die de voorkeur genieten in mobiele toepassingen vanwege hun faalveilige werking en lage stroomverbruik – omdat hiervoor doorgaans de transistorbarrière en het kanaal onder de gate moeten worden verdund. Dit beperkt de inschakelstroom en verhoogt de lekstroom in de uitschakeltoestand, waardoor het moeilijker wordt om het vermogen, de efficiëntie en de versterking te bereiken die nodig zijn voor 6G.

De GaN-op-Si E-mode MOSHEMT

Imec demonstreert nu een GaN-op-Si E-mode MOSHEMT die een recorduitgangsvermogen van 27,8 dBm (1 W/mm) en een toegevoegde efficiëntie (PAE) van 66% bereikt bij 13 GHz en 5 V. Het resultaat werd verkregen in één component met een 8-vingerige gate-layout, waardoor de gatebreedte die nodig is voor een hoog uitgangsvermogen wordt bereikt zonder het gecombineerde vermogen van meerdere transistoren te vereisen. De uitstekende prestaties werden mogelijk gemaakt door een gate-recessing-techniek, gebruikt om de component in E-mode te brengen, te combineren met een InAlN-barrièrelaag die het prestatieverlies van het uitgedunde kanaal compenseert.

Parallel aan de ontwikkeling van het apparaat demonstreerde imec een recordlage contactweerstand van 0,024 Ω· mm met behulp van een hergroeide n⁺(In)GaN-laag, die de stroomdoorvoer maximaliseert en het vermogensverlies minimaliseert. Hoewel het resultaat werd verkregen in een aparte module, is deze volledig compatibel met de E-mode transistorarchitectuur. Simulaties geven aan dat de integratie van deze contactmodule de uitgangsvermogensdichtheid met 70% kan verbeteren, waarmee de prestatiedoelstelling voor 6G-gebruikersapparatuur wordt gehaald.

“Het verlagen van de contactweerstand is cruciaal om het uitgangsvermogen te verhogen en tegelijkertijd de efficiëntie hoog te houden”, aldus Alireza Alian, Principal Member of Technical Staff bij imec. “Onze volgende stap is om deze contactmodule te integreren in de E-mode transistor en de verwachte winst in vermogen en efficiëntie te valideren, waardoor het apparaat dichter bij echte 6G-toepassingen komt.”