قام باحثو Imec بتحديد معيار جديد لأداء ترانزستورات الترددات الراديوية في التطبيقات المتنقلة. فقد عرضوا ترانزستور MOSHEMT (Metal Oxide Semiconductor High Electron Mobility Transistor) من نوع GaN (نتريد الغاليوم) على قاعدة السيليكون، وهو جهاز من النوع المحسن (E-mode) يعمل بجهد مصدر منخفض، وحقق كفاءة وطاقة إخراج قياسية.

وفي الوقت نفسه، عرض Imec مقاومة تلامس منخفضة قياسية بلغت 0.024 Ω·mm، وهو أمر حاسم لزيادة طاقة الإخراج في التصاميم المستقبلية.

تمثل هذه الإنجازات خطوة حاسمة نحو دمج تقنية GaN في أجهزة الجيل القادم المتنقلة، خاصة تلك المخصصة لنطاق 6G FR3 بين 7 و24 جيجاهرتز. تم نشر النتائج في ندوة VLSI للتكنولوجيا والدوائر لعام 2025 في كيوتو، اليابان.

تعمل شبكات الهاتف المحمول الحالية في الغالب دون 6 جيجاهرتز، لكن لتلبية متطلبات معدلات البيانات لأنظمة 6G المستقبلية، يجب الانتقال إلى ترددات أعلى. في هذه النطاقات، تفقد الحلول المتنقلة القائمة على GaAs HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) أداءها.

تنخفض كفاءتها وزيادتها بشكل كبير فوق 10-15 جيجاهرتز، مما يؤدي إلى استنزاف سريع للبطارية واستهلاك طاقة منخفض في أجهزة المستخدم. يُعتبر GaN بديلاً واعدًا بسبب كثافة طاقته العالية وجهد الانهيار الأعلى. على الرغم من أن ترانزستورات GaN القائمة على SiC تظهر أداءً قويًا في الترددات الراديوية لمحطات القاعدة عالية التردد، إلا أن تكلفة SiC وقابلية توسيع الرقاقة المحدودة لا تزال عقبات أمام تطوير السوق المتنقل.

السيليكون منصة أكثر قابلية للتوسع وفعالية من حيث التكلفة، لكن بناء ترانزستورات GaN عالية الكفاءة عليه كان تحديًا بسبب عدم تطابق الشبكة البلورية والحرارية بين المادتين، مما قد يؤثر على جودة المواد وموثوقية الجهاز.

بالنسبة للتصاميم من النوع المحسن، تكون التحديات أكبر — وهي مفضلة في الأجهزة المتنقلة بسبب تشغيلها الآمن من الفشل واستهلاكها المنخفض للطاقة — لأنها تتطلب عادةً ترقيق حاجز الترانزستور والقناة تحت البوابة. هذا يحد من تيار التشغيل ويزيد من تيار التسرب في حالة الإيقاف، مما يجعل تحقيق الطاقة والكفاءة والزيادة المطلوبة لـ 6G أصعب.

قدم Imec الآن ترانزستور MOSHEMT محسن من نوع GaN على قاعدة السيليكون، حقق طاقة إخراج قياسية تبلغ 27.8 dBm (1 W/mm) وكفاءة إضافة طاقة (PAE) بنسبة 66% عند 13 جيجاهرتز وجهد 5 فولت. تم تحقيق هذا الأداء الممتاز في جهاز فردي بتخطيط بوابة بـ 8 أصابع، مما يوفر عرض البوابة اللازم لطاقة الإخراج العالية دون الحاجة إلى دمج طاقة متعدد الترانزستورات.

تم تحقيق هذا الأداء الممتاز من خلال دمج تقنية الحفر تحت البوابة (لتحويل الجهاز إلى E-mode) مع طبقة حاجز InAlN (لتعويض فقدان الأداء الناتج عن ترقيق القناة).

بالتوازي مع تطوير الجهاز، حقق Imec مقاومة تلامس منخفضة قياسية تبلغ 0.024 Ω·mm باستخدام طبقة n+ (In)GaN المُعاد نموها، مما يزيد من تدفق التيار إلى أقصى حد ويقلل من فقدان الطاقة. على الرغم من أن هذه النتيجة تم الحصول عليها في وحدة منفصلة، إلا أنها متوافقة تمامًا مع بنية الترانزستور E-mode.

تشير المحاكاة إلى أن دمج هذه الوحدة يمكن أن يزيد من كثافة طاقة الإخراج بنسبة 70%، مما يلبي أهداف أداء أجهزة مستخدم 6G.