无线通信技术的进步改变了人类的生活方式，降低时间与空间所造成的限制，带来了更多便利。依据移动通信发展历程，第六代移动通信技术 (6th Generation Mobile Communication/6th Generation Wireless Systems, 6G) 的研发已经展开，此为当前 5G 的延伸，预计在 2030 年将开始商用化，从 5G 的移动物联网提升为 6G 的万物智联网。
6G 的目标是向全球覆盖通讯，借由超高频段 (~1THz) 的高速传输 (100Gbps~1Tbps)、低轨卫星 (Low Earth Orbits, LEO) 和高可靠度、超低延迟 (Latency) 的网络，解决 5G 在偏乡地区、海洋和沙漠等地方的限制，提升网络性能，来达到更大的带宽、低延迟与多连接密度，建构出一个虚实融合的万物智联世界。
6G 科技是先进国家的重要科技发展方向，而半导体材料势必会担任 6G 的关键组件，例如功率放大器、数组天线、射频模块、高频通讯芯片等，III-V 材料如磷化铟 (InP) 所制造的射频组件有机会达到 100GHz 以上的频率、成为 6G 频段。微电子研究中心 (Interuniversity Microelectronics Centre, imec) 已于 2020 年底的会议发表，将开发 InP/CMOS 异质堆栈技术作为 6G 射频组件。
|
磷化铟为第二代半导体，其高频特性优于砷化镓 (GaAs) 和硅锗 (SiGe) 半导体，是研发 6G 技术的关键！ |
磷化铟异质结双极型晶体管 (InP Heterojunction Bipolar Transistors, HBTs) 拥有极优的高速性能和高击穿电压，可用于未来光纤通讯系统，现今已用于多数超过 100 Gbit/s 速度运行的 IC 了。InP HBT 常应用在激光二极管 (Laser Diode, LD) 和光电二极管 (Photodiode)，作为光学接收端，典型的 InP HBT 结构为磷化铟 / 砷化铟镓 / 磷化铟 (InP/InGaAs/InP)，作为射极 (Emitter) / 基极 (Base) / 集极 (Collector)。一般大于 1 um 的射极宽度即可满足 5G 毫米波需要的输出功率。
InP HBT 被视为实现太赫兹 (THz) 操作最有前途的技术之一，持续取得破纪录的速度，例如 Snodgrass 等人研究的 InP/InGaAs Pseudomorphic Heterojunction Bipolar Transistor (PHBT)，其结构为 12.5nm Base 和 55nm Collector，截止频率 (Transit Frequency, fT) 达到 845GHz。HBTs 性能提升的研究包括透过组件持续微缩 (减薄基极与集电极层) 、降低发射极接触电阻率、减少发射极和集电极结宽度等。
|
激光二极管(LD) 是由半导体材料制作而成，可以透过在晶格中引入不同的杂质来改变导电率，常用于光纤通讯组件，接着将逐一介绍可用于此的材料分析技术。 |
具有原子分辨率的穿透式电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM) 可以观察半导体组件的层次结构，其原理是将高能量电子束投射到超薄样品上，产生立体角散射成像，适合用来观察样品的精细结构。光纤通讯组件需要先透过 TEM 试样制作技术，才适合进行 TEM 分析成像。图一为 LD 经过逐步放大倍率的 TEM 影像图，显示 P 型、N 型掺杂层和多重量子井 (Multiple Quantum Well, MQW) 发光层的位置与层数，透过 TEM 影像对比显示，MQW 透过采用异质结构的堆栈方式，来达到增加 LD 辐射复合的机率。
 图一 LD 的 TEM 图 |
二次离子质谱仪 (Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS) 适合解析薄膜结构、掺杂元素浓度与工艺微量污染状况，可以从元素浓度变化、对应的外延层次来了解工艺问题。SIMS 原理是借由带有能量的入射离子轰击待测样品的表面而产生二次离子，其加速后进入二次离子质谱分析系统，运用电、磁场的偏转，将离子依照不同质量分开，来达到成份分析的目的。二次离子强度经过转换后，可得到元素的浓度，而离子轰击时间则可转换成杂质分布的深度。
SIMS 具有优异的侦测极限，可量测出固体材料中的元素含量至百万分之一以下。图二是以 InP 为基底的 InGaAsP MQW LD 的 SIMS 分析图，显示结构为磷化铟 / 砷化铟镓 / 磷化铟 (InP/InGaAsP/InP)，不同层之间的 Zn、Si 和 S 掺杂浓度的扩散情况会影响组件性能，除此之外，能够清楚辨别纳米级厚度的 InGaAsP MQW 外延层次。
  图二 InGaAsP MQW LD 的 SIMS 图 |
|
扫描式电容显微镜 (Scanning Capacitance Microscopy, SCM) 常应用在 IC 组件，例如功率电子组件、GBT/FRD、三级管器、激光二极管、DRAM 组件、MOSFET，以及光电产业应用如 CMOS Image Sensor、VCSEL、光通讯组件、LED 等。SCM 可观察二维掺杂影像，分辨出 N 型区域与 P 型区域，对于掺杂异常分布所导致的故障及逆向工程分析相当有帮助，也能测量各区域的尺寸，例如掺杂厚度、Channel Length、Trench 掺杂深度、Source/Drain 大小、N/P Well 界面等。 SCM 分析技术可以补足其它分析技术的不足之处，例如 SIMS 与展阻分析仪 (SRP) 仅能呈现一维分布、SEM 搭配化学刻蚀染色的分析技术不易精确控制刻蚀率等。图三为 LD 横截面的 SCM 影像，能清楚辨识 LD 结构载流子浓度的相对变化，以及掺杂活化的分布情况。 |
图三 LD 的 SCM 图 |
闳康科技基于长年累积光纤通讯组件的检测经验，已陆续开始进行 B5G (Beyond 5G)/6G 新材料研发的分析需求。闳康科技拥有领先业界的高科技分析仪器设备与技术，致力于成为产、官、学界研发的后盾，提供更完整的分析服务。
|
你可能有兴趣 |
