[分享] GaN硬件软件合作设计&射频设备架构

硬件软件合作设计

为了充分发挥GaN器件在射频应用中的潜力，必须在所有层面进行创新，包括器件工艺进步和电路架构的增强和修改。特别是最近的软、硬件趋势与机器学习技术的协同设计展示了令人兴奋的机会。

如图17(a)所示，通过将模拟输入修改为两个单独可控的射频输入，并根据频率和输入功率等实时动态操作条件，由人工智能(AI)算法实时优化，引入改进版的Doherty放大器。如图17(b)所示，混合模式高效射频PA首次被证明在1.4-4.8 GHz的超宽带宽上工作，效率超过45%。结果表明，人工智能引擎可以优化GaN HEMT偏置条件、双输入信号相位和幅值，从而实现卓越的性能。人工智能引擎可以使用硅CMOS技术设计和实现。因此，利用硅和III-V化合物半导体技术的独特优势，将CMOS和GaN技术进行异质集成，是在系统层面实现性能和成本之间最佳权衡的技术之一。已经报道了一些初步的工作，如图18所示，其中CMOS和GaN通过连接两个单独的芯片集成。它的输出功率在2-3 W范围内，在超过一个倍频程的带宽范围内，漏极效率超过50%这种数字辅助技术允许将数字功率DAC方法扩展到比先前演示的更高的功率级别和带宽。这些特征对于实现未来的软件定义无线电、认知无线电(其中数字、AI和其他技术的性能是共同设计和共同优化的)是令人兴奋和有吸引力的。

射频设备架构

如前所述，III-N半导体由于结合了宽带隙(3.4 eV)、高电子饱和速度(2 X107 cm/s)，电子迁移率高(~2000平方厘米=V s).在最初的AlGaN/GaN HEMT研究中，由于其与其他宽禁带半导体相比具有优越的性能，其射频潜力已被注意到从那时起，深尺度GaN-on- sic晶体管的fT达到了0.450 GHz, GaN-on- si晶体管的fT达到了0.300 GHz。截止频率的提高是由以下因素共同推动的:高通道迁移率、卓越的载波约束(由于后屏障减少了短通道效应)、t型/蘑菇型栅极短栅极脚(LG, 80 nm)和大栅极头、小的接入区域长度(可能自校正过程)、良好的欧姆接触(接触电阻，0:2 Ω mm，使用再生的nþ触点)以及减少捕获(例如，通过改善表面钝化技术)。未来截止频率的改进，可能达到700ghz范围，将取决于外延结构的改进(更低的片电阻、更薄的屏障、更优越的载波约束)以及整体器件结构。显然，考虑到现有的挑战，这并非易事。在材料性能方面，通道的薄片电阻将需要减少到150 Ω/sq增加载流子密度，同时保持高载流子迁移率。短通道效应需要显著抑制，例如，通过使用薄肖特基势垒(纯AlN而不是AlGaN)、背势垒、和三栅这些修改增加了传统的AlGaN/GaN设备的复杂性。在制造方面，非常需要可靠的方法来实现闸门金属化(典型的t型/蘑菇型闸门，小门脚和大门头)

GaN hemt一直是Ka波段和Ka波段以外PAs的主力。例如，早在2005年，AlGaN/GaN HEMT在40 ghz的情况下，在33%的功率添加效率(轨道电压为40 V)下表现出10.5 W/mm的性能传统的GaN/GaN hemt已被商业化应用于射频领域，下一代GaN晶体管技术的研究主要可分为外延结构和器件创新两大类。在外延方面结构，如ScAlN/GaN, AlN/GaN, n极性GaN/ AlGaN, InAlGaN和多通道(AlGaN=GaN)n。在ga极性的AlGaN/GaN HEMT中，通过增加势垒(AlGaN)厚度可以增强通道中的电子密度，这对提高射频器件的功率密度至关重要。然而，较厚的势垒会降低栅极电容，从而导致较差的栅极控制以及低的跨导。n极性GaN-HEMT器件的一个主要优点是它解耦了这两个参数:2-DEG密度和势垒厚度，与镓极性横向器件相比，它可以在更高的频率获得更高的功率密度。此外，在n极器件中，当AlGaN层置于GaN通道顶部时，极化场与反向偏置栅-漏结产生的电场相反。这与镓极性HEMTs形成对比，在镓极性HEMTs中极化场方向相同，外加栅极-漏极反向偏置可以迅速降低栅极注入电子的隧穿势垒。所有这些优点加上原子沉积的Ru栅极技术，导致了在94 GHz.功率密度(6.2 W/mm)和功率附加效率(33.8%)方面的创纪录性能另一个材料创新是在GaN HEMT器件中使用ScAlN作为阻挡层。由于ScAlN具有较高的自发极化系数，ScAlN/GaN的晶格匹配可达2X与In0:18Al0:72N=GaN.栅格匹配的sc基势垒可以实现无应变的高片层电荷密度，并可以提高可靠性和薄势垒导致更好的射频性能。

具有横向门控多个2-DEG通道的gan基场效应晶体管(桥式双栅场效应晶体管)的独特工作原理，展示了适用于高效线性毫米波功率放大器应用的器件特性。在这些器件中，埋在Al(Ga) N/GaN HEMT外延结构中的平行栅极与2DEG通道层形成侧向肖特基接触与传统的晶体管相比，没有顶部栅极触点使得该器件的工作原理与众不同;漏极电流仅通过调节二极体的宽度来控制，同时保持其薄片电子密度。桥式场效应晶体管的优点包括:(a)可以忽略的电流崩溃，(b)由于改进的静电导致的低输出电导，(c)高度均匀的电容，(d)与t门HEMT相比gm3低。

为了实现5G基站更高的功率输出等，设备结构方面的根本性创新是必要的，除了目前的横向结构(载波在通道中横向移动)，可能还可以从垂直功率晶体管的发展中吸取宝贵经验。这些垂直结构提供了几个好处，包括高击穿电压(由漂移区域的厚度决定)，单位芯片面积的高功率密度(由于垂直方向的体积传导)，更均匀的散热(由于体积传导)，以及可能更好的可靠性(由于没有表面状态的埋道)。关于垂直器件射频特性的早期研究已经证明其适合于射频应用。最近的实验校准模拟的概念证明单鳍垂直FinFET预测输出功率为0.15 W/mm在Ka波段实际的垂直finfet通常采用大面积阵列，这可以显著增加设备的功率输出虽然初步结果是有希望的，进一步的研究需要解决材料和制造的挑战，以实现这种创新的设备结构

报道了使用横向门控结构和倾斜门凹来解决GaN器件的线性问题

finfet允许在同一装置(共用三个晶体管终端)中组合多种不同类型的鳍片(每一种鳍片给出不同的阈值电压，VTH)，从而允许灵活的鳍片分布线性类似的概念已用于横向门控装置和改进的鳍分布

GaN CMOS技术是一项根本性的创新，它可能同时提供更高的线性度和射频效率。基于CMOS的电路拓扑，相对于单一类型的逻辑，已被证明有利于线性此外，使用p- fet作为负载可以在输出节点提供高的输出电阻，同时节省急需的芯片面积(相对于使用电感器)。