深化5G/6G布局 氮化鎵/磷化銦微縮再進化(1)

  時光荏苒，無線傳輸?shù)馁Y料量與日俱增，使用族群也正不斷擴大。為了趕上這波潮流，並提升資料傳輸?shù)乃俣扰c效率，第五代行動通訊系統(tǒng)(5G)現(xiàn)已逐步啟用，業(yè)界也著眼未來，展開籌備。5G實現(xiàn)了高達10Gbps的資料傳輸率，而6G預(yù)計能在2030年後升級至100Gbps。除了想辦法連結(jié)更多的資料與裝置，研究人員也持續(xù)探討新一代無線網(wǎng)路如何支援新興應(yīng)用，例如自動駕駛、全像顯示等。

  為了達到這種等級的超高資料傳輸率，電信業(yè)不斷提高無線訊號所使用的頻率。5G最初使用6GHz以下的頻段，但主攻28GHz或39GHz的產(chǎn)品已經(jīng)亮相。介於6~20GHz的第三型頻率範圍(FR3)因為能在覆蓋範圍和流量之間取得平衡，也越來越受到關(guān)注。至於6G，目前也在討論100GHz以上的頻段分配。

  高頻傳輸有幾項優(yōu)點，包括開發(fā)新的頻段，以及解決現(xiàn)有頻段頻譜有限的問題，並且越往高頻運作，越容易取得更大頻寬。理論上，運用100GHz以上的超高頻段及30GHz以上的頻寬，電信業(yè)者就能採用低階調(diào)變方法來進行無線資料傳輸，進而降低傳輸功耗。高頻特性也與較短波長(λ)有關(guān)。當天線陣列的尺寸隨著λ2變小而持續(xù)微縮，封裝就會更加緊湊。這也有助於實現(xiàn)波束成形，該技術(shù)能提高送達預(yù)定接收器的訊號強度。

  不過，高頻運作仍有其弊害?；パa式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)是目前訊號收發(fā)器元件的首選製程。這包含了前端模組的功率放大器，這些元件負責(zé)發(fā)送與接收天線之間的射頻訊號。操作頻率越高，CMOS功率放大器就越難以高效率達到所需的輸出功率。

  這時，氮化鎵(GaN)和磷化銦(InP)等技術(shù)可以派上用場。這些三五族半導(dǎo)體具備優(yōu)異的材料特性，因此很可能在高頻操作下滿足對輸出功率和效率的需求。以氮化鎵為例，其電流密度高，電子遷移率高，而且崩潰電壓大，其高功率密度也能實現(xiàn)小尺寸設(shè)計，整體系統(tǒng)能在維持性能的同時減少系統(tǒng)尺寸。

  超越CMOS：氮化鎵、磷化銦的高頻性能

  在一次模擬試驗中，比利時微電子研究中心(imec)研究團隊比較了三種功率放大器在140GHz操作頻率下的性能表現(xiàn)：CMOS完整設(shè)計、CMOS波束成形器搭配矽鍺(SiGe)異質(zhì)接面雙極性電晶體(HBT)，以及單顆磷化銦HBT(圖1)。磷化銦在輸出功率(超過20dBm)及能源效率(20%~30%)方面曾是最佳材料。模擬結(jié)果也顯示，磷化銦可在使用較少天線的情況下達到最佳的能源效率。對於尺寸受限的應(yīng)用，例如行動裝置等用戶設(shè)備，這點尤其引人注目。

圖1 比較CMOS、矽鍺及磷化銦元件在具備不同天線數(shù)量的訊號

發(fā)送器中的功耗變化(發(fā)表於2022年IEEE國際電子會議)

  然而，在較低頻的毫米波方面，氮化鎵展現(xiàn)絕佳性能。根據(jù)觀察，採用碳化矽(SiC)基板的氮化鎵HEMT在28GHz和39GHz頻段的輸出功率及能源效率勝過CMOS元件和砷化鎵(GaAs)HEMT。過去研究考量的潛在應(yīng)用包含由16根天線組成的固定無線接取(FWA)及具備4根天線的用戶設(shè)備(圖2)。

圖2、比較採用三種不同技術(shù)時，固定無線接取(左)與用戶設(shè)備(右)在28GHz及39GHz操作

頻率下的輸出功率(發(fā)表於2022年IEEE國際電子會議)

  微縮潛力與挑戰(zhàn)

  儘管如此，若考量成本和整合難易度，氮化鎵及磷化銦技術(shù)目前尚無法與CMOS技術(shù)媲美。三五族元件通常使用小尺寸且高成本的非矽基板，量產(chǎn)製程通常較不合用。將這些元件與8吋或12吋矽晶圓整合可以維持優(yōu)異的射頻性能，同時達到整體最佳化，目前頗受矚目。一方面，矽基板的成本較低;另一方面，與CMOS相容的製程能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)。

  為了在矽技術(shù)平臺上整合氮化鎵及磷化銦，在設(shè)計、材料與製造技術(shù)方面，必須結(jié)合新興電晶體與電路，其中一大挑戰(zhàn)是嚴重的晶格不匹配。磷化銦(InP)與矽材的不匹配程度為8%，氮化鎵則為17%，導(dǎo)致元件層之間出現(xiàn)大量缺陷，最終折損元件性能。

  另外，我們必須讓矽基氮化鎵(GaN-on-Si)及矽基磷化銦(InP-on-Si)元件與CMOS元件共整合於一個完整系統(tǒng)。氮化鎵與磷化銦技術(shù)初步將用於前端模組的功率放大器。低雜訊放大器與開關(guān)元件也能受益於這些化合物半導(dǎo)體的特殊材料性質(zhì)，但最後還是需要CMOS技術(shù)來進行校正、控制和波束成形。

  imec在其先進射頻研究計畫中，攜手業(yè)界夥伴探索多種方法，以便在大尺寸矽晶圓上整合氮化鎵及磷化銦元件，並實現(xiàn)與CMOS元件的異質(zhì)整合。各式應(yīng)用的優(yōu)劣分析也納入評估，包含固定無線接取(FWA)等基礎(chǔ)設(shè)施以及用戶設(shè)備。

  改良矽基氮化鎵的射頻性能

  依據(jù)不同基板，氮化鎵技術(shù)包含以下幾種：氮化鎵塊材基板、碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)，以及矽基氮化鎵(GaN-on-Si)。GaN-on-SiC目前已納入多項研究，並用於5G基地站等基礎(chǔ)設(shè)施。比起塊材氮化鎵，GaN-on-SiC的成本效益更高，加上碳化矽具備極佳的熱傳導(dǎo)能力，有助於高功率傳輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施排除產(chǎn)生的熱能。然而，碳化矽基板的成本高，且尺寸受限，因此較不適合量產(chǎn)。

  相較之下，GaN-on-Si有可能擴大規(guī)模，採用8吋甚至是12吋晶圓。多虧了功率電子元件幾十年來的創(chuàng)新，氮化鎵才能在大尺寸矽基板的整合技術(shù)方面取得重大進展。但若要達到最佳的射頻性能，還需要進一步改良GaN-on-Si技術(shù)。主要挑戰(zhàn)包含達到GaN-on-SiC等級的大訊號功率性能與可靠度，以及提高操作頻率。為此，持續(xù)研發(fā)創(chuàng)新的堆疊設(shè)計、選用不同材料、縮短HEMT閘極長度、抑制寄生現(xiàn)象，以及盡可能避免射頻訊號失真，皆為不可或缺的技術(shù)發(fā)展。

  在imec為射頻元件研發(fā)的GaN-on-Si製程中，首先於8吋矽晶圓採用有機金屬化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)進行磊晶成長。該磊晶結(jié)構(gòu)包含專屬設(shè)計的氮化鎵或氮化鋁鎵(AlGaN)緩衝層、氮化鎵通道、氮化鋁(AlN)側(cè)壁和氮化鋁鎵阻障層。接著，具備氮化鈦(TiN)蕭特基金屬閘極的氮化鎵HEMT元件在(低溫)後段製程與三層銅材進行整合。

  近期，imec在其GaN-on-Si平臺首次取得接近GaN-on-SiC的輸出功率與功率轉(zhuǎn)換效率(PAE)，極具競爭優(yōu)勢(圖3)。功率轉(zhuǎn)換效率是評估功率放大器的常用指標，其考量功率放大器的增益對整體效率的影響。

  圖3、GaN-on-Si的性能測試數(shù)據(jù)(發(fā)表於2022年IEEE國際電子會議) 

(資料來源：[1] H.W. Then et al., IEDM 2020; [2] H.W. Then et al., IEDM 2021;[3] W. Wang et al., J-EDS 2018;[4] Y.C. Lin et al., Micromachines 2020; [5] M. Mi et al., TED 2017;[6] Y. Zhang et al., EDL 2018; [7] K. Harrouche et al., HAL open science, 2020;[8] J.-S. Moon et al., MTTS 2019)

  除了技術(shù)研發(fā)，進行模擬最終也將有助於提升性能與可靠度。舉例而言，imec在2022年IEEE國際電子會議(IEDM)推出了射頻元件的熱傳輸模擬架構(gòu)。在一項矽基氮化鎵HEMT的研究中，模擬結(jié)果顯示，元件的最高溫度比原先預(yù)期高了三倍。這類模擬工作能進一步引導(dǎo)如何在研發(fā)階段優(yōu)化射頻元件及其布局。

  6G次太赫茲InP-on-Si元件：三種製程方法

  如先前展示，不論採用何種製程技術(shù)，在140GHz操作頻率下，磷化銦HBT能在輸出功率與效率之間取得最佳平衡。研究團隊也能實現(xiàn)達到最佳射頻性能的元件設(shè)計。元件製造部分，通常會從小尺寸(6吋以下)的基板著手，採用具備研究性質(zhì)的製程，與CMOS並不相容。

  但若在這塊矽基板上整合磷化銦元件，性能會有何改變?眾所皆知，在矽基板上沉積磷化銦容易出現(xiàn)大量缺陷，主要為穿隧差排(Threading Dislocation)與面缺陷(Planar Defect)。這些缺陷將誘發(fā)漏電流，進而導(dǎo)致元件性能大幅降低或出現(xiàn)可靠度問題。

  目前正在考量的微縮製程有三種，其中兩種直接在矽基板上成長磷化銦，最後一種需要經(jīng)過晶圓重組(圖4)?，F(xiàn)有製程使用小尺寸的磷化銦基板，與之相比，這三者的成本效益預(yù)計更高，但在性能、成本與異質(zhì)整合方面各有優(yōu)缺點。依照不同的應(yīng)用(包含基礎(chǔ)設(shè)施與行動裝置)，imec已著手評估各自的發(fā)展優(yōu)勢與技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖4、不同的矽基磷化銦磊晶成長技術(shù)：(a)奈米脊工程(b)在空白晶圓磊晶

成長並導(dǎo)入應(yīng)變鬆弛的緩衝層(c)晶圓重組

  第一種矽基磷化銦HBT製程(圖4b)直接在矽基板上沉積應(yīng)變鬆弛的緩衝層，以彌補矽材與磷化銦晶格不匹配(8%)所帶來的性能損失。接著，直接在緩衝層上成長磷化銦。以更大尺寸的晶圓來製造元件極具成本優(yōu)勢，尤其是部分矽材還能重複使用。但若要減少缺陷數(shù)量，還需進一步研發(fā)改良。

  撇開這種在「空白晶圓」磊晶成長的做法，imec提出奈米脊工程作為替代製程(圖4a)，以更有效的方式解決晶格缺陷問題。奈米脊工程技術(shù)在預(yù)先圖形化的矽基板上選擇性地沉積三五族材料。這些脊型結(jié)構(gòu)具備高深寬比，能夠有效地把捕獲到的缺陷集中在窄溝底部，還可在溝槽外成長出高品質(zhì)、低缺陷的材料。奈米脊的構(gòu)形越往上越寬，頂部可作為元件堆疊的實心基底。先前從砷化鎵(GaAs)、磷化銦鎵(InGaP)研究獲得的研究洞見將能帶領(lǐng)砷化銦鎵(InGaAs)、磷化銦奈米脊HBT元件邁向最佳化設(shè)計(圖5、圖6)。

圖5、2吋磷化銦晶圓，以及連接磷化銦奈米脊HBT堆疊的12吋矽晶圓

圖6、12吋晶圓的放大圖，顯示晶粒上帶有奈米脊圖形的磷化銦HBT結(jié)構(gòu)

  除了直接進行磊晶成長，磷化銦還能透過晶圓重組與矽晶圓連接。在該製程中，高品質(zhì)的磷化銦基板不論有無主動層，都會在組成晶圓時分割成不同的方塊。這些方塊隨後以晶粒對晶圓(Die-to-wafer)接合技術(shù)與矽晶圓連接。關(guān)鍵挑戰(zhàn)在於如何有效轉(zhuǎn)移材料並移除磷化銦基板，目前正在考量幾種技術(shù)以實現(xiàn)這項目標。

  邁向異質(zhì)整合未來

  矽基三五族功率放大器最終必須與負責(zé)校正與控制的CMOS元件進行整合。imec正在研究多種異質(zhì)整合方案，權(quán)衡各自導(dǎo)入不同應(yīng)用的利弊。

  最常見的射頻元件系統(tǒng)級封裝(SiP)是先進層壓基板(Laminate Substrate)技術(shù)，而迎向高頻應(yīng)用的優(yōu)化技術(shù)如今也處於研發(fā)階段。imec也在探索其它先進的異質(zhì)整合技術(shù)，包含2.5D中介層與3D整合技術(shù)。

  值得注意的是，在100GHz以上的超高頻波段，天線模組將會界定訊號收發(fā)器的可用空間範圍。確實，頻率越高波長越短，天線陣列也越來越小。100GHz以上的天線尺寸會比前端模組還小，儘管操作頻率變高，前端模組的尺寸卻難以隨之微縮。關(guān)於大型天線陣列的配置，一種有意思的做法是將射頻前端模組移至天線陣列下方。這時就能導(dǎo)入3D整合技術(shù)，不論是晶粒對晶圓(Die-to-wafer)接合或是晶圓接合，都能在前端模組與天線模組之間建立明確的短距連接。不過熱管理仍是3D整合的一大問題，開發(fā)有效的散熱器將成關(guān)鍵。imec現(xiàn)在正進行全面性的系統(tǒng)技術(shù)偕同優(yōu)化(STCO)分析，以評估不同的3D整合技術(shù)，並從系統(tǒng)級的視角來影響技術(shù)選擇。

  手持裝置方面，由於減少天線數(shù)量能放寬設(shè)計限制，2.5D中介層技術(shù)因而備受關(guān)注。該異質(zhì)整合技術(shù)運用元件層堆疊，並搭配微影製程的導(dǎo)線，甚至是矽穿孔，以連接三五族元件與CMOS元件。在這種設(shè)計下，三五族元件緊鄰CMOS晶片，因為這兩種晶片都能與散熱器直接相接，因此熱管理的成效更佳。不過，這種結(jié)構(gòu)只能進行一維波束掃描(Beam Steering)?，F(xiàn)階段，研究人員正在評估2.5D中介層技術(shù)的硬體設(shè)計，尋找基板、介電材料與重分布層(RDL)的最佳組合，進而降低元件損耗。例如，imec初步展示了鎖定射頻應(yīng)用的矽中介層技術(shù)(圖7)，選用傳統(tǒng)的矽基板、半加成法製程(mSAP)的銅導(dǎo)線，以及旋轉(zhuǎn)塗佈式(Spin-on)的低介電常數(shù)材料;這些介電材料在100GHz以上能夠具備極低的導(dǎo)線損耗。

圖7、射頻應(yīng)用的矽中介層示意圖，磷化銦與CMOS的整合式元件及天線陣列皆在同一封裝內(nèi)

  綜上所述，在微縮化與整合技術(shù)方面，近期的研發(fā)成果顯示，矽基氮化鎵(GaN-on-Si)與矽基磷化銦(InP-on-Si)有望成為新一代高流量無線網(wǎng)路應(yīng)用的致勝技術(shù)。

  (本文作者為imec先進射頻研究計畫主持人)