專欄文章

除了GaAs pHEMT與CMOS製程外，GaN製程在近年來也受到很大的關注。GaN不但可以應用於微波與毫米波積體電路，亦可應用於電源相關的應用。本文將介紹GaN HEMT的製程與毫米波功率放大器。

材料特性對於所製作的半導體元件有很大的影響，表一所列為矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)的材料特性^[1]。GaN相較於Si與GaAs，主要的特色是具有較大的能隙(bandgap)，可以承受較大的電壓。雖然GaN電子移動率不如砷化鎵，但是其電晶體仍可操作於微波與毫米波。

除了元件的材料外，基板的材料也會影響電路的特性。目前GaN的半導體製程基板主要為SiC與Si兩種，這兩種製程可以簡稱為GaN/SiC與GaN /Si。表二為GaN，Si與SiC的參數比較，GaN與SiC的晶格常數(lattice constant)相近，稱之為晶格匹配(lattice-matched)；而GaN與Si的差異較大。因此GaN/SiC有較低的晶體缺陷密度，可靠性較高^[2]。

此外，由於GaN電路主要是高功率的應用，電路操作時會產生大量的熱，若無法適當地將熱導出，晶片溫度會急遽上升，導致電晶體的性能下降。因此基板材料必須要有良好的熱導(thermal conductivity)。相較於GaN與Si，SiC有較好的熱導，因此在高功率的操作下，使用SiC基板可以更快速的把熱導出。GaN和SiC的熱膨脹係數也較為相近，在熱循環下的可靠度較高。雖然如此，GaN/Si還是有成本上的優勢，在商業應用上仍有極大的吸引力。

表二為150-nm GaAs pHEMT ^[3]、150-nm GaN/SiC HEMT ^[4]與100-nm GaN/Si HEMT ^[5]的電晶體特性列表。這些製程都可以應用在5G毫米波頻段的功率放大器設計。我們從表中可以看到，GaN電晶體的崩潰電壓(breakdown)較高，因此可以採用較高的電壓。另一個指標是功率密度(power density)，這個指標定義每公厘(mm)的總閘極寬度(total gate width)可以輸出的射頻訊號供率。GaN製程達到3.75 W/mm與3.3 W/mm，遠高於GaAs pHEMT的0.8 W/mm。

最後我們來看一下幾個近年所發表毫米波的GaN HEMT功率放大器，比較表如表三所示，前三篇為使用GaN/SiC製程^[6]-[8]，後兩篇則為GaN/Si ^[9]-[10]。文獻[6]的輸出級是採用並聯16顆400 mm (10 fingers)的電晶體，輸出級的閘極總寬度達到6.4 mm。整體放大器採用兩級的設計，在24 V的偏壓下，輸出功率在26.5 GHz達到43.4 dBm (21.7 W)，功率附加效率 (power added efficiency，PAE)為19.8%。文獻[7]則是在28 GHz，達到37.5 dBm輸出功率與40%的PAE。文獻[8]採用了兩級Doherty放大器的架構，在6/8 dB回退功率下，分別達到22.7%/19.5%的PAE。

文獻[9]使用了100-nm GaN/Si製程，放大器為三級架構，輸出級使用了4顆400 mm (8 fingers)的電晶體。在24.5-27 GHz頻帶內達到33.3-35 dBm輸出功率與30-40%的汲極效率 (drain efficiency)。文獻[10]同樣使用100-nm GaN/Si製程，開發操作於40 GHz的三級功率放大器。在37-43 GHz頻帶內，達到40 dBm輸出功率與30%左右的PAE。

由於電晶體本身優異的特性與基板良好的導熱性，GaN HEMT製程是目前在毫米波頻段實現高功率放大器 (> 5 W)最佳的製程選擇。雖然5G毫米波系統採用相位陣列技術可以降低單一功率放大器的輸出功率規格，但是使用GaN HEMT功率放大器可以降低相位陣列的單元數，因此GaN在未來5G毫米波行動通訊基地台或是衛星通訊系統中將不會缺席。

表一、Si、GaAs、GaN與SiC材料特性比較表

表二、GaAs、GaN/SiC與GaN/Si特性比較

表三、毫米波GaN功率放大器

參考文獻

[1]     Gallium Nitride (GaN) versus Silicon Carbide (SiC) In The High Frequency (RF) and Power Switching Applications [Online]. Available: https://www.richardsonrfpd.com/docs/rfpd/Microsemi-A-Comparison-of-Gallium-Nitride-Versus-Silicon-Carbide.pdf

[2]     GaN on SiC or GaN on Si? [Online]. Available: https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-on-sic-or-gan-on-si-

[3]     Build your own GaN & GaAs solutions with UMS [Online]. Available: https://www.ums-rf.com/wp-content/uploads/2018/01/Brochure_Foundry_2017-1.pdf

[4]     GaN on SiC mmWave Foundry Process [Online]. Available: https://www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/1522/product/0/gan_on_sic_mmwave_foundry_process.pdf

[5]     III – V PROCESSES [Online]. Available: https://www.ommic.com/iii-v-processes/

[6]   Y. Yamaguchi, J. Kamioka, M. Hangai, S. Shinjo and K. Yamanaka, "A CW 20W Ka-band GaN high power MMIC amplifier with a gate pitch designed by using one-finger large signal models," 2017 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), Miami, FL, 2017, pp. 1-4.

[7]   Y. -Q. Lin and A. Patterson, "Design Solutions for 5G Power Amplifiers using 0.15μm and 0.25μm GaN HEMTs," 2020 International Symposium on VLSI Design, Automation and Test (VLSI-DAT), Hsinchu, Taiwan, 2020, pp. 1-3.

[8]   K. Nakatani, Y. Yamaguchi, Y. Komatsuzaki, S. Sakata, S. Shinjo and K. Yamanaka, "A Ka-Band High Efficiency Doherty Power Amplifier MMIC using GaN-HEMT for 5G Application," 2018 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on 5G Hardware and System Technologies (IMWS-5G), Dublin, 2018, pp. 1-3.

[9]   X. Tong, S. Zhang, P. Zheng, J. Xu and R. Wang, "A 24.5-27 GHz GaN Power Amplifier MMIC with 4 W Maximum Saturation Output Power," 2019 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Guangzhou, China, 2019, pp. 1-3.

[10] J. Moron, R. Leblanc, F. Lecourt and P. Frijlink, "12W, 30% PAE, 40 GHz power amplifier MMIC using a commercially available GaN/Si process," 2018 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS, Philadelphia, PA, 2018, pp. 1457-1460.