6G需要怎样的PA？专家是这样看的
2020-09-26
14:00:12
来源: 半导体行业观察
5G的推出注定要花费几年的时间，担心6G似乎有些奇怪。但是一些工程师说，这是担心它的最佳时机。加州大学圣塔芭芭拉分校的一个小组正在开发一种设备，该设备可能对有效地将6G的太赫兹频率信号从未来的智能手机和其他联网设备的天线中推送出去至关重要。他们在最近发表在《IEEE》上的两篇论文中报告了该设备的关键方面，包括了“n极性”氮化镓高电子迁移率晶体管。
到目前为止，测试集中在94太赫兹频率上，这些频率处于太赫兹的边缘。“我们刚刚打破了毫米波运行的记录，这些记录实在令人震惊”，发表这篇论文的UCSB小组的负责人，IEEE成员Umesh K. Mishra说:“如果你在设备领域工作，如果你把事情提高20%，人们就会高兴。在这里，我们已经把情况改善了200%到300%。”
关键功率放大器技术被称为高电子迁移率晶体管（HEMT）。它在具有不同带隙的两种材料（在这种情况下为氮化镓和氮化铝镓）之间的接合处周围形成。在这种“异质结”处，氮化镓的自然极性导致聚集了称为二维电子气的过量电荷。这种电荷的存在使该设备具有在高频下运行的能力，因为电子可以自由自由地在其中无阻碍地自由移动。
氮化镓HEMT已经在放大器中崭露头角，它们是5G功率放大器的竞争者。但是要有效地放大太赫兹频率，典型的GaN HEMT需要以特定的方式缩小。就像硅逻辑晶体管一样，使HEMT的栅极更靠近电流流经的通道（在这种情况下为电子气），让它以较少的能量来控制电流的流动，从而使器件效率更高。更具体地说，Mishra解释说，您想使栅极长度与栅极到电子气的距离之比最大化。通常，这是通过减少栅极金属与器件其余部分之间的阻挡层材料来实现的。但是您只能采取这种策略。最终，它会变得太薄而无法阻止电流泄漏。
但是Mishra说，他的小组提出了一个更好的办法：他们将氮化镓放在头上。
普通的氮化镓是所谓的极性镓。也就是说，如果您向下看表面，晶体的顶层将始终是镓。但是圣塔芭芭拉（Santa Barbara）小组发现了一种制造氮极性晶体的方法，因此顶层始终是氮。这看起来似乎是一个很小的差异，但这意味着构成电荷的结构，即异质结，现在已经颠倒了。
这带来了很多优势。首先，源极和漏极现在通过较低的带隙材料（GaN的纳米薄层）而不是较高带隙的材料（氮化铝镓）与电子气接触，从而降低了电阻。其次，当器件接近其最低电流状态时，气体本身会受到更好的限制，这是因为下面的AlGaN层充当了防止散射电荷的屏障。
利用这两个特性制造的设备已经取得了创纪录的结果。在94 GHz频率下，一种设备每毫米产生8.8瓦的功率，效率为27％。在该效率下，类似的极性镓器件仅产生约2 W / mm的功率。
但是，新的几何形状还可以通过将栅极放置在更靠近电子气的位置进行进一步改进，从而实现更好的控制。为了使它起作用，栅极必须充当低泄漏肖特基二极管。与普通的pn结二极管不同，肖特基二极管由金属，绝缘体和半导体层形成，而普通的pn结二极管是通过化学掺杂的半导体区域的结点形成的，这些区域具有不同的过量电荷。肖特基二极管Mishra的团队进行了精心准备（钌一次沉积在N极GaN的顶部一个原子层）为电流从其上潜行提供了高屏障。而且，与其他尝试在栅极二极管上进行的尝试不同的是，它不会通过理论上不应该存在但在现实生活中会发生的随机路径损失电流。
“肖特基二极管通常很难在GaN上泄漏而不泄漏” ，Mishra说：“我们证明了这种材料组合，它为我们提供近乎理想的肖特基二极管特性。”
Mishra说，加州大学圣塔芭芭拉分校的团队尚未公布使用这种新二极管作为门的HEMT的结果。但是到目前为止的数据是有希望的。他们计划最终以比以前更高的频率（140 GHz和230 GHz）对新设备进行测试，两者的频率都必须在太赫兹范围内。
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