台湾长庚大学发表氮化镓5G通讯技术和毫米波阵列

长庚大学邱显钦教授团队，近期在研发5G通讯元件及节能氮化镓功率元件方面，成果丰硕；此外，电子系金国生教授接受国家中山科学研究院电子所委托，执行经济部科专计划｢具备自测功能的毫米波基地台天线技术开发｣，担任计划主持人，带领电子系陈元贺教授、李仲益教授及研究生团队，负责开发5G通讯用毫米波38 GHz阵列天线及基地台天线测试技术，亦有所展现。长庚大学希望各大企业可以投入此前瞻产业，并且有更进一步的扩大技转合作机会。

氮化镓5G通讯技术

目前半导体产业的发展已经不是单一方向的研发，必须从原物料、基板、磊晶、制程、模块、应用等多面向的合作，并且积极参加产业研发联盟，目前，长庚大学邱显钦教授团队，在应用于高频/高效率直流转换器的硅基氮化镓新型开关元件，或是针对第五代行动通讯（5G）应用，高频率氮化镓芯片都有相当的研究成果。

邱显钦教授表示，为促进我国新型半导体材料的发展产业，在高功率及高频率应用，氮化镓（GaN）已经是全球最受瞩目的材料之一，其宽能隙、高电子迁移率、高电子饱和速度、及高热稳定等特性为主要优势。宽能隙特性造就其优异的崩溃电压与热稳定，有利于在新世代高压、高功率通讯元件的操作；高电子饱和速度之特点更利于此元件在高频率的卓越表现。

近10年来，邱显钦教授主要研究内容为氮化镓宽能隙材料，对于目前5G通讯及节能电子均有非常丰硕的研究内容﹔其主题如下：

针对5G通讯元件方面

长庚大学高速智能研究中心团队过去3年已经开始InAlN/GaN HEMT on 6-inch SOI 基板的元件制作，该实验室开发的高瓦数功率输出GaN金氧半功率晶体管（闸极宽度2mm），电流增益截止频率也到达了40GHz，28伏特偏压底下操作可以拥有1.6W/mm功率密度，功率附加效率比传统金半接面高5%，在50V偏压时可以达到2W/mm的功率密度输出，加上电场版技术后最高崩溃电压已经超过三百伏特，此外，也成功将元件覆晶于高散热系数的氮化铝与硅基板上，整合于高ESD保护电路之上。

对于节能氮化镓功率元件方面

学术界以及业界重要的研究内容，是以如何达到增强型氮化镓场效应晶体管开发与高压DC/DC整流电路实现，该实验室近期开发新型p-GaN Gate E-mode HEMT及Anode recess GaN Schottky Barrier Diode，并利用多循环式湿蚀刻技术，大幅增加两种元件的制造均匀性。

相关技术不仅在学术发表外也成功技术转移至6吋硅代工厂进行量产技术落实，甚至结合此两种元件技术也开发出VTH接近于0V的SBD元件。

落实这些晶体管与二极管技术之后，亦基于GaN晶体管元件其高速导通、截止的能力，提高电路的切换频率，进而缩小整体DC/DC converter体积及重量。

开发过程也建立及分析GaN晶体管各项特性的评估标准，做为设计上的参考并开发以GaN晶体管为基础的半桥式DC/DC电源转换模块，目前已经成功实现出以GaN为晶体管与二极管的6000Watt与300Watt高速DC/DC升降压转换电路(Freq>1MHz)。

5G通讯用毫米波阵列天线设计专利

第五代行动通讯（简称5G），由于能够提供高达10 Gbit/s的传输速率，已成为未来行动通讯的主要发展技术之一。5G通讯产业规模之大，各国莫不全力投入开发。天线为5G通讯系统之关键组件，因5G操作频率高达毫米波频段，天线尺寸相对小，且各种高频寄生效应严重，故设计难度颇高。

长庚大学电子系金国生教授接受中山科学研究院电子所委托，执行经济部科专计划｢具备自测功能之毫米波基地台天线技术开发｣，担任计划主持人，带领电子系陈元贺教授、李仲益教授及研究生团队，负责开发5G通讯用毫米波38 GHz阵列天线及基地台天线测试技术。中科院在5G技术发展上以基地台系统技术为主轴，本计划与中科院密切配合，形成整合型团队，强化台湾地区在5G的技术研究，特别是在发展5G基地台阵列天线技术方面。

5G通讯用38-GHz低旁波瓣阵列天线。 来源：长庚大学

此计划所开发的38 GHz阵列天线，具有平面式、高增益、低旁波瓣、可波束扫瞄等功能。藉由设计巴特勒矩阵电路，与8´10贴片阵列天线组合，可达成四波束扫瞄功能，优点是射频与基频电路不需做任何变动，即可赋予系统空间多工的能力，成本较为低廉，且因为是被动式架构，故功耗较小。此外，也提出一种简易型天线自测平台，可在射频端进行天线简易功能测试，提供工程师初步研判天线系统功能是否正常，作为天线模块维修或更换的参考。

此计划成果共衍生三项专利成果：「宽波束高增益阵列天线(专利证号I674703)」、「低旁波瓣阵列天线(专利证号I674704)」及「无线基地台及其阵列天线的自我检测方法(专利证号I617814)」等。前两篇专利是提出5G天线数种不同设计构型，其特性分别可提高天线辐射及接收增益、增加天线波束宽度、降低旁波瓣特性等，可有效改善5G天线电性，有助于提升5G通讯系统之效能。

第三篇专利则针对5G无线基地台阵列天线提出自我检测方法，藉由在无线基地台上设置一具参考天线及架设自测平台，可测试无线基地台天线的收发功能有无异常，有助于工程人员初步除错及简易维护。这些专利均可用于5G通讯产业，对于5G产业有重要效益。

此外，金国生教授也接受中科院化学研究所委托，执行经济部科专计划｢毫米波基板集成波导结构设计与特性研究｣及｢毫米波基板集成波导载板设计模拟与高频传输特性研究｣等两项计划，分别设计毫米波60 GHz及39 GHz阵列天线。

阵列天线的馈电网路采用基板集成波导（SIW）结构，基板介质材料采用中科院开发的低介电氮化铝材料，SIW结构利用雷射钻孔及电镀方式填孔，搭配其低损耗毫米波基板先进制程进行阵列天线制作，协助中科院验证其毫米波材料用于5G天线设计的特性。

相关研究已衍生三项专利申请中：「可切换三波束贴片阵列天线(申请案号108121708)」、「可切换三波束贴片阵列天线之开关电路设计(申请案号108121709)」、「可切换三波束槽孔阵列天线(申请案号108121653)」。

此三项专利分别提出5G波束扫描天线之数种不同设计构型及切换开关设计，可提升5G天线波束扫描特性。上述毫米波材料验证及天线设计可应用于5G行动通讯，可提升国内毫米波材料及5G天线研发能力。