時(shí)光荏苒,無(wú)線傳輸?shù)馁Y料量與日俱增,使用族群也正不斷擴(kuò)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(dòng)通訊系統(tǒng)(5G)現(xiàn)已逐步啟用,業(yè)界也著眼未來(lái),展開(kāi)籌備。5G實(shí)現(xiàn)了高達(dá)10Gbps的資料傳輸率,而6G預(yù)計(jì)能在2030年後升級(jí)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(wú)線網(wǎng)路如何支援新興應(yīng)用,例如自動(dòng)駕駛、全像顯示等。
為了達(dá)到這種等級(jí)的超高資料傳輸率,電信業(yè)不斷提高無(wú)線訊號(hào)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(fàn)圍(FR3)因?yàn)槟茉诟采w範(fàn)圍和流量之間取得平衡,也越來(lái)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(xiàng)優(yōu)點(diǎn),包括開(kāi)發(fā)新的頻段,以及解決現(xiàn)有頻段頻譜有限的問(wèn)題,並且越往高頻運(yùn)作,越容易取得更大頻寬。理論上,運(yùn)用100GHz以上的超高頻段及30GHz以上的頻寬,電信業(yè)者就能採(cǎi)用低階調(diào)變方法來(lái)進(jìn)行無(wú)線資料傳輸,進(jìn)而降低傳輸功耗。高頻特性也與較短波長(zhǎng)(λ)有關(guān)。當(dāng)天線陣列的尺寸隨著λ2變小而持續(xù)微縮,封裝就會(huì)更加緊湊。這也有助於實(shí)現(xiàn)波束成形,該技術(shù)能提高送達(dá)預(yù)定接收器的訊號(hào)強(qiáng)度。
不過(guò),高頻運(yùn)作仍有其弊害?;パa(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)是目前訊號(hào)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(fù)責(zé)發(fā)送與接收天線之間的射頻訊號(hào)。操作頻率越高,CMOS功率放大器就越難以高效率達(dá)到所需的輸出功率。
這時(shí),氮化鎵(GaN)和磷化銦(InP)等技術(shù)可以派上用場(chǎng)。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(duì)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(shí)現(xiàn)小尺寸設(shè)計(jì),整體系統(tǒng)能在維持性能的同時(shí)減少系統(tǒng)尺寸。
在一次模擬試驗(yàn)中,比利時(shí)微電子研究中心(imec)研究團(tuán)隊(duì)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(jì)、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(guò)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(dá)到最佳的能源效率。對(duì)於尺寸受限的應(yīng)用,例如行動(dòng)裝置等用戶設(shè)備,這點(diǎn)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(hào)
發(fā)送器中的功耗變化(發(fā)表於2022年IEEE國(guó)際電子會(huì)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(cǎi)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(guò)CMOS元件和砷化鎵(GaAs)HEMT。過(guò)去研究考量的潛在應(yīng)用包含由16根天線組成的固定無(wú)線接取(FWA)及具備4根天線的用戶設(shè)備(圖2)。
圖2、比較採(cǎi)用三種不同技術(shù)時(shí),固定無(wú)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(guó)際電子會(huì)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(wú)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(shí)達(dá)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(tái)上整合氮化鎵及磷化銦,在設(shè)計(jì)、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(yán)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(gè)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(kāi)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(lái)進(jìn)行校正、控制和波束成形。
imec在其先進(jìn)射頻研究計(jì)畫(huà)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(shí)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(píng)估,包含固定無(wú)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(xiàng)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(kuò)大規(guī)模,採(cǎi)用8吋甚至是12吋晶圓。多虧了功率電子元件幾十年來(lái)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(jìn)展。但若要達(dá)到最佳的射頻性能,還需要進(jìn)一步改良GaN-on-Si技術(shù)。主要挑戰(zhàn)包含達(dá)到GaN-on-SiC等級(jí)的大訊號(hào)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(jì)、選用不同材料、縮短HEMT閘極長(zhǎng)度、抑制寄生現(xiàn)象,以及盡可能避免射頻訊號(hào)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(cǎi)用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)進(jìn)行磊晶成長(zhǎng)。該磊晶結(jié)構(gòu)包含專屬設(shè)計(jì)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(jìn)行整合。
近期,imec在其GaN-on-Si平臺(tái)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)(圖3)。功率轉(zhuǎn)換效率是評(píng)估功率放大器的常用指標(biāo),其考量功率放大器的增益對(duì)整體效率的影響。
圖3、GaN-on-Si的性能測(cè)試數(shù)據(jù)(發(fā)表於2022年IEEE國(guó)際電子會(huì)議)
(資料來(lái)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(jìn)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(guó)際電子會(huì)議(IEDM)推出了射頻元件的熱傳輸模擬架構(gòu)。在一項(xiàng)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(jìn)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(cǎi)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(tuán)隊(duì)也能實(shí)現(xiàn)達(dá)到最佳射頻性能的元件設(shè)計(jì)。元件製造部分,通常會(huì)從小尺寸(6吋以下)的基板著手,採(cǎi)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(huì)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(jìn)而導(dǎo)致元件性能大幅降低或出現(xiàn)可靠度問(wèn)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(zhǎng)磷化銦,最後一種需要經(jīng)過(guò)晶圓重組(圖4)。現(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(jì)更高,但在性能、成本與異質(zhì)整合方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。依照不同的應(yīng)用(包含基礎(chǔ)設(shè)施與行動(dòng)裝置),imec已著手評(píng)估各自的發(fā)展優(yōu)勢(shì)與技術(shù)挑戰(zhàn)。
圖4、不同的矽基磷化銦磊晶成長(zhǎng)技術(shù):(a)奈米脊工程(b)在空白晶圓磊晶
成長(zhǎng)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(bǔ)矽材與磷化銦晶格不匹配(8%)所帶來(lái)的性能損失。接著,直接在緩衝層上成長(zhǎng)磷化銦。以更大尺寸的晶圓來(lái)製造元件極具成本優(yōu)勢(shì),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(jìn)一步研發(fā)改良。
撇開(kāi)這種在「空白晶圓」磊晶成長(zhǎng)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(wèn)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(zhǎng)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(shí)心基底。先前從砷化鎵(GaAs)、磷化銦鎵(InGaP)研究獲得的研究洞見(jiàn)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(jì)(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(jìn)行磊晶成長(zhǎng),磷化銦還能透過(guò)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(wú)主動(dòng)層,都會(huì)在組成晶圓時(shí)分割成不同的方塊。這些方塊隨後以晶粒對(duì)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(shí)現(xiàn)這項(xiàng)目標(biāo)。
邁向異質(zhì)整合未來(lái)
矽基三五族功率放大器最終必須與負(fù)責(zé)校正與控制的CMOS元件進(jìn)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(jiàn)的射頻元件系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)是先進(jìn)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?kù)堆邪l(fā)階段。imec也在探索其它先進(jìn)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(huì)界定訊號(hào)收發(fā)器的可用空間範(fàn)圍。確實(shí),頻率越高波長(zhǎng)越短,天線陣列也越來(lái)越小。100GHz以上的天線尺寸會(huì)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(shí)就能導(dǎo)入3D整合技術(shù),不論是晶粒對(duì)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(guò)熱管理仍是3D整合的一大問(wèn)題,開(kāi)發(fā)有效的散熱器將成關(guān)鍵。imec現(xiàn)在正進(jìn)行全面性的系統(tǒng)技術(shù)偕同優(yōu)化(STCO)分析,以評(píng)估不同的3D整合技術(shù),並從系統(tǒng)級(jí)的視角來(lái)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(jì)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(yùn)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(jì)下,三五族元件緊鄰CMOS晶片,因?yàn)檫@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(guò),這種結(jié)構(gòu)只能進(jìn)行一維波束掃描(Beam Steering)。現(xiàn)階段,研究人員正在評(píng)估2.5D中介層技術(shù)的硬體設(shè)計(jì),尋找基板、介電材料與重分布層(RDL)的最佳組合,進(jìn)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(wú)線網(wǎng)路應(yīng)用的致勝技術(shù)。
(本文作者為imec先進(jìn)射頻研究計(jì)畫(huà)主持人)