Imec, das belgische Forschungs- und Innovationszentrum, hat die ersten funktionellen GaAs-basierten Heterojunction-Bipolartransistoren (HBT) auf 300-mm-Si und CMOS-kompatible GaN-basierte Bauelemente auf 200-mm-Si für mm-Wellen-Anwendungen vorgestellt.
Die Ergebnisse zeigen das Potenzial sowohl von III-V-on-Si als auch von GaN-on-Si als CMOS-kompatible Technologien zur Ermöglichung von HF-Front-End-Modulen für Anwendungen jenseits von 5G.Sie wurden auf der letztjährigen IEDM-Konferenz (Dezember 2019, San Francisco) vorgestellt und werden in einer Keynote-Präsentation von Michael Peeters von Imec über Verbraucherkommunikation jenseits von Breitband auf der IEEE CCNC (10.-13. Januar 2020, Las Vegas) vorgestellt.
In der drahtlosen Kommunikation mit 5G als nächster Generation gibt es einen Trend zu höheren Betriebsfrequenzen, die sich von den überlasteten Sub-6-GHz-Bändern zu mm-Wellen-Bändern (und darüber hinaus) bewegen.Die Einführung dieser mm-Wellen-Bänder hat erhebliche Auswirkungen auf die gesamte 5G-Netzwerkinfrastruktur und die mobilen Geräte.Für mobile Dienste und Fixed Wireless Access (FWA) führt dies zu immer komplexeren Front-End-Modulen, die das Signal zu und von der Antenne senden.
Um bei mm-Wellen-Frequenzen arbeiten zu können, müssen die HF-Front-End-Module hohe Geschwindigkeit (die Datenraten von 10 Gbit/s und mehr ermöglichen) mit hoher Ausgangsleistung kombinieren.Darüber hinaus stellt ihre Implementierung in Mobiltelefonen hohe Anforderungen an Formfaktor und Energieeffizienz.Jenseits von 5G können diese Anforderungen mit den fortschrittlichsten HF-Front-End-Modulen von heute nicht mehr erfüllt werden, die typischerweise auf einer Vielzahl unterschiedlicher Technologien beruhen, darunter GaAs-basierte HBTs für die Leistungsverstärker – gewachsen auf kleinen und teuren GaAs-Substraten.
„Um die HF-Frontend-Module der nächsten Generation über 5G hinaus zu ermöglichen, erforscht Imec die CMOS-kompatible III-V-on-Si-Technologie“, sagt Nadine Collaert, Programmdirektorin bei Imec.„Imec untersucht die Co-Integration von Front-End-Komponenten (wie Leistungsverstärker und Schalter) mit anderen CMOS-basierten Schaltungen (wie Steuerschaltungen oder Transceiver-Technologie), um Kosten und Formfaktor zu reduzieren und neue Hybridschaltungstopologien zu ermöglichen Leistung und Effizienz zu adressieren.Imec erforscht zwei verschiedene Wege: (1) InP auf Si, das auf mm-Wellen und Frequenzen über 100 GHz abzielt (zukünftige 6G-Anwendungen) und (2) GaN-basierte Geräte auf Si, die (in einer ersten Phase) auf die untere mm-Welle abzielen Bändern und Adressanwendungen, die hohe Leistungsdichten benötigen.Für beide Routen haben wir jetzt erste funktionsfähige Geräte mit vielversprechenden Leistungsmerkmalen erhalten und Möglichkeiten gefunden, ihre Betriebsfrequenzen weiter zu erhöhen.“
Funktionale GaAs/InGaP-HBT-Bauelemente, die auf 300-mm-Si gewachsen sind, wurden als erster Schritt in Richtung der Ermöglichung von InP-basierten Bauelementen demonstriert.Ein defektfreier Gerätestapel mit einer Versetzungsdichte von weniger als 3 x 106 cm-2 wurde unter Verwendung des einzigartigen III-V-Nano-Ridge-Engineering-Prozesses (NRE) von Imec erhalten.Die Bauelemente arbeiten erheblich besser als Referenzbauelemente, wobei GaAs auf Si-Substraten mit spannungsrelaxierten Pufferschichten (SRB) hergestellt wird.In einem nächsten Schritt werden InP-basierte Geräte mit höherer Mobilität (HBT und HEMT) untersucht.
Das obige Bild zeigt den NRE-Ansatz für die hybride III-V/CMOS-Integration auf 300 mm Si: (a) Bildung von Nanogräben;Defekte werden in dem schmalen Grabenbereich eingefangen;(b) Wachstum des HBT-Stapels unter Verwendung von NRE und (c) verschiedene Layoutoptionen für die Integration von HBT-Geräten.
Darüber hinaus wurden CMOS-kompatible GaN/AlGaN-basierte Bauelemente auf 200 mm Si hergestellt, wobei drei verschiedene Bauelementarchitekturen verglichen wurden – HEMTs, MOSFETs und MISHEMTs.Es wurde gezeigt, dass MISHEMT-Geräte die anderen Gerätetypen in Bezug auf die Geräteskalierbarkeit und das Rauschverhalten für den Hochfrequenzbetrieb übertreffen.Spitzengrenzfrequenzen von fT/fmax um 50/40 wurden für Gate-Längen von 300 nm erhalten, was mit den berichteten GaN-auf-SiC-Bauelementen übereinstimmt.Neben einer weiteren Skalierung der Gate-Länge zeigen erste Ergebnisse mit AlInN als Barrierematerial das Potenzial, die Leistung weiter zu verbessern und somit die Betriebsfrequenz des Bauelements auf die erforderlichen mm-Wellen-Bänder zu erhöhen.
Postzeit: 23.03.21