imec成功开发毫米波III-V器件：可用于5G和6G的RF前端模块

比利时独立研究所imec于2020年1月成功在300mm Si衬底上形成了GaAs异质结双极晶体管（HBT）器件，并在200mm Si衬底上成功形成了与CMOS兼容的GaN器件。 两者都是为用于5G及更高版本的下一代通信（6G）的毫米波RF前端模块而开发的。

在300mm Si晶圆上集成III-V / CMOS混合器件。（a）示出了纳米沟槽的形成（缺陷被捕获在狭窄的沟槽区域中）。（b）HBT叠层在Si衬底上生长。（c）HBT器件结构示意图（来源：imec）

在5G无线通信中，从6GHz以下频段到毫米波频段（及更高频段）的过渡正在朝着更高的工作频率发展。这些毫米波频段的引入对整个5G网络基础架构和移动设备产生了重大影响。

对于移动服务和固定无线访问（FWA），在天线之间传输信号的前端模块变得越来越复杂。为了能够在毫米波频率下运行，RF前端模块必须快速（10Gbps和更高的数据速率）并且具有高功率。另外，手机的实现对外形尺寸和功率效率有很高的要求。超越5G，即使在昂贵的GaAs基板上使用GaAs HBT的当前最先进的RF前端模块，也很难达到这些要求。

imec计划主管Naecine ollaert表示，Imec正在探索与CMOS兼容的III-V-on-Si技术，以实现5G以外的下一代RF前端模块。考虑到组件（例如功率放大器和开关）与其他基于CMOS的电路（例如控制电路和收发器）的集成，从而降低了成本和外形尺寸，从而实现了新的混合电路拓扑， Imec正在研究两种不同的设备，以确保性能和效率：

1.    ``在Si衬底上形成的InP器件''针对毫米波和未来的6G，目标频率为100 GHz或更高，

2.    “ Si衬底上的GaN基器件”以较低的毫米波为目标（第一步）并解决需要更高功率密度的应用。

我们成功地为两个设备都具有了预期特性的设备原型，并在此基础上确定了一种进一步提高工作频率的方法。”

imec成功实现了在300 mm Si衬底上形成GaAs / InGaP HBT器件的第一步，这是实现基于InP的器件的第一步，并开发了一种无缺陷的器件，其螺纹位错密度小于3×10 ⁶ / cm ²。知道了 由于其性能优于在Si衬底上形成应变松弛缓冲层的GaAs器件，因此下一步是对更高迁移率的基于InP的器件（HBT和HEMT）进行原型设计。

此外，imec研究人员在200mm Si衬底上原型制作了三种类型的CMOS兼容GaN / AlGaN器件：HEMT，MOSFET和MISHEMT。该公司确认，MISHEMT在高频运行期间的设备小型化和噪声特性方面优于其他设备。在300nm的栅极长度下，f_T / Fmax的峰值截止频率为50/40，与先前报道的SiC上GaN器件大体相同。Imec还尝试通过使用AlInN作为阻挡材料来减小栅极长度，从而带来可以进一步改善性能并增加满足毫米波段要求的设备的工作频率。

200mm Si衬底上GaN / AlGaN器件的电流增益截止频率（fT）和最大功率增益（fmax）（资料来源：imec）