毫米波生力軍前進太赫茲:磷化銦異質接面雙極性電晶體的發展及其商業化的挑戰

 

刊登日期:2021/7/5
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廖昱安、邱正洋、許榮豪、林熙琮、蔡緒孝、林正國/穩懋半導體先進技術中心
 
磷化銦異質接面電晶體長期應用於光纖通訊及相關高頻應用市場。隨著對5G毫米波放大器要求日益嚴苛和對未來6G太赫茲操作的展望,有著優於砷化鎵及矽鍺半導體高頻特性的磷化銦被視為高潛力的明日之星。然而,磷化銦長年來在市場上的發展十分有限,大多來自學術性研發單位。主要是受限於目前昂貴基板價格和缺乏相關產業鏈的支援。縱使已有代工廠投入這個領域,但主要的成就都是完成在四吋基板上。近來隨著六吋基板的問世和磊晶供應商的陸續支援,為磷化銦元件大規模量產帶來曙光。穩懋半導體為全球化合物半導體代工廠龍頭,將責無旁貸,目前正致力發展六吋磷化銦異質接面電晶體的商業化,並提供其在5G毫米波和6G太赫茲的解決方案。
 
【內文精選】
前 言
回顧全球行動通訊發展歷程,從類比到數位時代,再到現今的全IP時代,每一新世代行動通訊系統不外乎在滿足上一代行動通訊系統所無法達成的需求所驅動而來。2015年6月ITU宣布將IMT-2020納為未來第五代行動通訊的技術標準後,正式宣告5G世代的來臨。其技術發展願景內容包含:提升數據傳輸及實際用戶速度、高畫質影音傳輸、支援物聯網和5G頻譜規劃。而使用情境主要包含增強型行動寬頻(eMBB)、超可靠且低延遲通訊(uRLLC)、大規模機器型態通訊(MMTC)三大軸向。在國內5G業者於2020年陸續開台後,台灣也進入5G世代。
 
現行的5G頻譜規劃將分為兩個階段推行。第一個階段涉及6兆赫茲(GHz)以下的頻段,現已在不同國家的多個城市部署。接下來數年是第二階段,將提供更高的數據速率、更大的容量,以及更低的傳輸延遲。24 GHz至40 GHz為5G第二階段推行的毫米波(mmWave)Ka頻段,將以固定無線接入(FWA)的形式向家庭、公共設施及企業提供數千兆比特(Gigabit)的高速傳輸,其關鍵特徵還包含了相控波束(Phasearray)及大規模多輸入多輸出(MIMO)陣列天線的技術導入。.
 
另外,就現行對5G毫米波FWA的估算,天線還需滿足65 dBm的有效等向輻射功率(EIRP)。GaAs HBT亦面臨在該頻段產生的功率不足,無法支持有效距離(>100米)以上的高數據通信。為突破固有材料的限制,目前具有潛力的競爭者,包含閘極(Gate)長度0.15微米的砷化鎵和氮化鎵高電子遷移率電晶體(HEMT)、或奈米級的矽鍺互補式金氧半電晶體(CMOS)。但這些競爭者皆有應用上的劣勢,如為實現長度0.15微米的閘極,晶圓代工廠必須採用昂貴但生產率低的電子束微影技術。而使用矽鍺CMOS,受限其較低的崩潰電壓,為達EIRP的要求,必須用到大數量的天線元件,更是昂貴且效率低的方案。圖一為各解決方案滿足65 dBm EIRP所需天線數量估計。
                                                                    
圖一、各解決方案滿足65 dBm EIRP所需天線數量估計
圖一、各解決方案滿足65 dBm EIRP所需天線數量估計
 
磷化銦材料特性及設計
磷化銦(InP)晶圓發展主要受到光電子元件市場所影響,特別是在數據通信及電信應用的推動下,長期應用於光學接收端的雷射二極體和光電二極體。典型的InP HBT磊晶片(EPI)結構為磷化銦/砷化銦鎵/磷化銦(InP/InGaAs/InP)雙異質接面雙極性電晶體(DHBT),亦即在射極/基極和基極/集極間皆為異質接面。基極材料使用和InP晶格常數(LatticeConstant)匹配的InGaAs,能達到極佳的電子遷移率和更低的基極歐姆接觸阻值;再者,InGaAs相對InP具有良好的選擇性蝕刻比,有利於蝕刻製程上的控制。
 
磊晶片結構還必須針對不同的應用取向加以最佳化,在元件的崩潰電壓和電流增益截止頻率(fT)之間做取捨。圖五為InP HBT崩潰電壓對fT的關係圖,其它常見半導體電晶體也放在一起比較。若以崩潰電壓和fT的乘積做為衡量指標,InP HBT會…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
InP HBT次微米製程技術
InP HBT憑藉其優異的材料特性,在應用於5G毫米波的情境下,最小特徵尺寸(射極寬度)大於1微米,即可滿足所需的輸出功率,這對於任何III-V晶圓代工廠在量產上是非常有利的。但在推向太赫茲操作,InP HBT無法避免跟隨矽晶圓產業發展的脈絡,必須進一步在縱向及橫向微縮元件尺寸以達到更高的操作頻率和更大的頻寬。縱向微縮指的是在磊晶片中各層厚度的減薄,在設計上會遇到前述崩潰電壓的犧牲。橫向微縮則為元件布局(Layout)上的緊湊,並得搭配相對應的次微米製程。
 
圖六、自對準基極金屬製程示意圖
圖六自對準基極金屬製程示意圖
 
商業化面臨的挑戰
InP小規模的商品化已行之有年,主要集中在雷射二極體和光電二極體,如美國Finisar、Lumentum、MACOM,亞洲的Broadcom等。但大規模生產仍然是停滯不前,瓶頸點在於…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》415期,更多資料請見下方附檔。
 
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