Imec, ein Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, hat auf dem Gebiet der HF-Transistoren für mobile Anwendungen den Benchmark neu gesetzt. Das Unternehmen präsentiert einen Galliumnitrid (GaN) MOSHEMT (Metall-Oxid-Halbleiter-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) auf Silizium (Si), der sowohl einen Rekordwirkungsgrad als auch eine Rekordausgangsleistung für einen Enhancement-Mode (E-Mode)-Baustein erreicht, der bei niedriger Versorgungsspannung arbeitet.
Gleichzeitig konnte Imec auch einen rekordverdächtig niedrigen Kontaktwiderstand von 0,024Ω x mm nachweisen, der für eine weitere Steigerung der Ausgangsleistung in zukünftigen Designs unerlässlich ist. Die Ergebnisse sind ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Integration der GaN-Technologie in mobile Geräte der nächsten Generation, insbesondere in solche, die auf das 6G-FR3-Band zwischen 7 und 24 GHz ausgerichtet sind. Die Ergebnisse werden auf dem 2025 Symposium on VLSI Technology and Circuits in Kyoto, Japan, vorgestellt.
Herausforderungen für 6G-Leistungsverstärker
Die heutigen Mobilfunknetze arbeiten größtenteils unterhalb von 6 GHz, aber um die Datenratenanforderungen künftiger 6G-Systeme zu erfüllen, ist ein Wechsel zu höheren Frequenzen erforderlich. In diesen Frequenzbändern haben aktuelle Mobilfunklösungen, die auf Galliumarsenid (GaAs) HBTs (Heterojunction Bipolar Transistor) basieren, Mühe, ihre Leistung aufrechtzuerhalten. Ihre Effizienz und Verstärkung nehmen oberhalb von 10 bis 15 GHz deutlich ab, was zu einer schnellen Entleerung der Batterien und einer schlechten Energienutzung in den Endgeräten führt. GaN wird aufgrund seiner höheren Leistungsdichte und Durchbruchsspannung weithin als vielversprechende Alternative angesehen. Während GaN-Transistoren auf Siliziumkarbid (SiC) in Hochfrequenz-Basisstationen eine starke HF-Leistung gezeigt haben, stellen die Kosten und die begrenzte Skalierbarkeit von SiC auf Wafern nach wie vor Hindernisse für den Mobilfunkmarkt dar.
Silizium ist eine besser skalierbare und kostengünstigere Plattform, aber der Bau von hocheffizienten GaN-Transistoren auf Silizium war aufgrund der Gitter- und thermischen Fehlanpassung zwischen den beiden Materialien eine Herausforderung, die die Materialqualität und die Zuverlässigkeit der Bauelemente beeinträchtigen kann. Noch größer ist die Herausforderung bei E-Mode-Designs, die wegen ihrer Ausfallsicherheit und ihres geringen Stromverbrauchs in Mobiltelefonen bevorzugt werden, weil sie in der Regel eine Verdünnung der Transistorbarriere und des Kanals unter dem Gate erfordern. Dadurch wird der Einschaltstrom begrenzt und die Leckage im Aus-Zustand erhöht, wodurch es schwieriger wird, die für 6G erforderliche Leistung, Effizienz und Verstärkung zu erreichen.
Imec demonstriert jetzt einen GaN-on-Si E-Mode MOSHEMT, der bei 13 GHz und 5 V eine Rekordausgangsleistung von 27,8 dBm (1 W/mm) und einen Wirkungsgrad (PAE) von 66 Prozent erreicht. Das Ergebnis wurde mit einem einzigen Bauelement mit einem 8-Finger-Gate-Layout erzielt, das die für eine hohe Ausgangsleistung erforderliche Gate-Breite bietet, ohne die kombinierte Leistung mehrerer Transistoren zu benötigen. Diese Leistung wurde durch die Kombination einer Gate-Vertiefungstechnik, die verwendet wird, um das Bauelement in den E-Modus zu versetzen, mit einer InAlN-Sperrschicht ermöglicht, die den Leistungsverlust durch den verdünnten Kanal ausgleicht.
Rekordwerte beim Kontaktwiderstand erreicht
Parallel zur Entwicklung des Bauelements demonstrierte Imec einen rekordverdächtig niedrigen Kontaktwiderstand von 0.024Ω x mm unter Verwendung einer aufgewachsenen n⁺(In)GaN-Schicht, die den Stromfluss maximiert und den Leistungsverlust minimiert. Obwohl das Ergebnis in einem separaten Modul erzielt wurde, ist es vollständig kompatibel mit der E-Mode-Transistorarchitektur. Simulationen deuten darauf hin, dass die Integration dieses Kontaktmoduls die Ausgangsleistungsdichte um 70 Prozent verbessern könnte, was dem Leistungsziel für 6G-Benutzergeräte entspricht.
„Die Verringerung des Kontaktwiderstands ist entscheidend, um die Ausgangsleistung zu steigern und gleichzeitig die Effizienz hoch zu halten“, sagte Alireza Alian, Principal Member of Technical Staff bei Imec. „Unser nächster Schritt ist die Integration dieses Kontaktmoduls in den E-Mode-Transistor und die Validierung der erwarteten Leistungs- und Effizienzsteigerungen, um das Bauelement näher an reale 6G-Anwendungen heranzuführen.“
