Banebrytende ytelse på RF GaN-på-Si-transistor for 6G

Forsknings- og innovasjonssenteret Imec, har i følge en melding torsdag satt en ny standard for RF-transistorytelse for mobile applikasjoner. De presenterer en galliumnitrid (GaN) MOSHEMT (metalloksid-halvledertransistor med høy elektronmobilitet) på silisium (Si) som oppnår både rekordeffektivitet og utgangseffekt for en forbedringsmodus (E-modus) enhet som opererer ved lav forsyningsspenning.

Parallelt demonstrerte Imec også en rekordlav kontaktmotstand på 0,024Ω·mm, som er avgjørende for å øke utgangseffekten ytterligere i fremtidige design. Resultatene markerer et avgjørende skritt mot å integrere GaN-teknologi i neste generasjons mobile enheter, spesielt de som er rettet mot 6G FR3-båndet mellom 7 og 24 GHz. Resultatene vil bli presentert på 2025 Symposium on VLSI Technology and Circuits i Kyoto, Japan.

Dagens mobilnettverk opererer i stor grad under 6 GHz, men for å møte datahastighetskravene til fremtidige 6G-systemer er det nødvendig med et skifte til høyere frekvenser. I disse båndene sliter nåværende mobilløsninger basert på galliumarsenid (GaAs) HBT-er (heterojunksjonsbipolar transistor) med å opprettholde ytelsen. Effektiviteten og forsterkningen deres forringes betydelig over 10 til 15 GHz, noe som fører til rask utlading av batteriet og dårlig energibruk i brukerutstyr. GaN er allment anerkjent som et lovende alternativ på grunn av sin høyere effekttetthet og gjennomslagsspenning. Selv om GaN-transistorer på silisiumkarbid (SiC) har vist sterk RF-ytelse i høyfrekvente basestasjonsapplikasjoner, er kostnaden og den begrensede skive (wafer)-skalerbarheten til SiC fortsatt barrierer for mobilmarkedet.

Silisium er en mer skalerbar og kostnadseffektiv plattform, men det har vært utfordrende å bygge høyeffektive GaN-transistorer på dette, på grunn av gitteret og den termiske uoverensstemmelsen mellom de to materialene. Dette kan kompromittere materialkvalitet og pålitelighet. Utfordringen er enda større for E-modusdesign – som er foretrukket i mobil for sin feilsikre drift og lave strømforbruk – fordi det vanligvis krever tynning av transistorbarrieren og kanalen under porten. Dette begrenser på-strømmen og øker lekkasjen i av-tilstand, noe som gjør det vanskeligere å oppnå den effekten, effektiviteten og forsterkningen som trengs for 6G.

Imec demonstrerer nå en GaN-på-Si E-modus MOSHEMT som når en rekordutgangseffekt på 27,8 dBm (1 W/mm) og 66 % effektøkningseffektivitet (PAE) ved 13 GHz og 5 V. Resultatet ble oppnådd i en enkelt enhet med en 8-finger port-layout, som gir portbredden som trengs for høy utgangseffekt uten å kreve den kombinerte effekten fra flere transistorer. Denne ytelsen ble muliggjort ved å kombinere en port-fordypningsteknikk, som brukes til å sette enheten i E-modus, med et InAlN-barrierelag som kompenserer for ytelsestapet fra den tynnere kanalen.

Parallelt med utviklingen demonstrerte imec en rekordlav kontaktmotstand på 0,024Ω·mm ved bruk av et gjenvokst n⁺(In)GaN-lag som maksimerer strømflyten og minimerer effekttap. Selv om resultatet ble oppnådd i en separat modul, er det fullt kompatibelt med E-modus transistorarkitekturen. Simuleringer indikerer at integrering av denne kontaktmodulen kan forbedre utgangseffekttettheten med 70 %, og dermed oppfylle ytelsesmålet for 6G-brukerutstyr.

– Å redusere kontaktmotstanden er avgjørende for å øke utgangseffekten samtidig som effektiviteten holdes høy, forklarer Alireza Alian, prinispal i teknisk stab hos imec. – Vårt neste trinn er å integrere denne kontakt modulen i E-modustransistoren og validere de forventede gevinstene i effekt og effektivitet, noe som bringer enheten nærmere virkelige 6G applikasjoner.