Imec, de Belgische onderzoeks- en innovatiehub, heeft de eerste functionele GaAs-gebaseerde heterojunction bipolaire transistor (HBT)-apparaten op 300 mm Si en CMOS-compatibele GaN-gebaseerde apparaten op 200 mm Si voor mm-golftoepassingen gepresenteerd.
De resultaten demonstreren het potentieel van zowel III-V-on-Si als GaN-on-Si als CMOS-compatibele technologieën voor het mogelijk maken van RF-front-endmodules voor andere dan 5G-toepassingen.Ze werden vorig jaar gepresenteerd op de IEDM-conferentie (december 2019, San Francisco) en zullen te zien zijn in een keynote-presentatie van Michael Peeters van imec over consumentencommunicatie buiten breedband op IEEE CCNC (10-13 jan 2020, Las Vegas).
In draadloze communicatie, met 5G als de volgende generatie, is er een drang naar hogere werkfrequenties, van de overbelaste sub-6GHz-banden naar mm-golfbanden (en verder).De introductie van deze mm-golfbanden heeft een aanzienlijke impact op de algehele 5G-netwerkinfrastructuur en de mobiele apparaten.Voor mobiele diensten en Fixed Wireless Access (FWA) vertaalt zich dit in steeds complexere front-end modules die het signaal van en naar de antenne sturen.
Om op mm-golffrequenties te kunnen werken, zullen de RF-front-endmodules hoge snelheid (waardoor datasnelheden van 10 Gbps en hoger mogelijk worden) moeten combineren met een hoog uitgangsvermogen.Bovendien stelt hun implementatie in mobiele handsets hoge eisen aan hun vormfactor en energie-efficiëntie.Naast 5G kunnen deze vereisten niet langer worden bereikt met de meest geavanceerde RF-front-endmodules van vandaag die doorgaans afhankelijk zijn van een verscheidenheid aan verschillende technologieën, waaronder op GaAs gebaseerde HBT's voor de eindversterkers - gekweekt op kleine en dure GaAs-substraten.
“Om de RF-front-endmodules van de volgende generatie na 5G mogelijk te maken, verkent Imec CMOS-compatibele III-V-on-Si-technologie”, zegt Nadine Collaert, programmadirecteur bij Imec.“Imec onderzoekt co-integratie van front-end componenten (zoals eindversterkers en schakelaars) met andere op CMOS gebaseerde circuits (zoals besturingscircuits of transceivertechnologie), om de kosten en vormfactor te verlagen en nieuwe hybride circuittopologieën mogelijk te maken om prestaties en efficiëntie aan te pakken.Imec onderzoekt twee verschillende routes: (1) InP op Si, gericht op mm-golf en frequenties boven 100GHz (toekomstige 6G-toepassingen) en (2) op GaN gebaseerde apparaten op Si, gericht (in een eerste fase) op de lagere mm-golf banden en adressering van toepassingen die hoge vermogensdichtheden nodig hebben.Voor beide routes hebben we nu de eerste functionele apparaten met veelbelovende prestatiekenmerken verkregen en hebben we manieren gevonden om hun werkfrequenties verder te verbeteren.”
Er is aangetoond dat functionele GaAs/InGaP HBT-apparaten gekweekt op 300 mm Si een eerste stap zijn naar het mogelijk maken van op InP gebaseerde apparaten.Een defectvrije device stack met minder dan 3x106 cm-2 threading dislocatiedichtheid werd verkregen door gebruik te maken van Imec's unieke III-V nano-ridge engineering (NRE) proces.De apparaten presteren aanzienlijk beter dan referentieapparaten, waarbij GaAs is gefabriceerd op Si-substraten met spanningsontspannen buffer (SRB)-lagen.In een volgende stap zullen op InP gebaseerde apparaten met een hogere mobiliteit (HBT en HEMT) worden onderzocht.
De afbeelding hierboven toont de NRE-benadering voor hybride III-V/CMOS-integratie op 300 mm Si: (a) vorming van nanogroeven;defecten zitten gevangen in het smalle greppelgebied;(b) HBT-stackgroei met behulp van NRE en (c) verschillende lay-outopties voor HBT-apparaatintegratie.
Bovendien zijn CMOS-compatibele op GaN/AlGaN gebaseerde apparaten op 200 mm Si gefabriceerd door drie verschillende apparaatarchitecturen te vergelijken: HEMT's, MOSFET's en MISHEMT's.Er werd aangetoond dat MISHEMT-apparaten beter presteren dan de andere apparaattypen in termen van schaalbaarheid van het apparaat en ruisprestaties voor hoogfrequente werking.Piekafsnijfrequenties van fT/fmax rond 50/40 werden verkregen voor 300 nm poortlengtes, wat in overeenstemming is met gerapporteerde GaN-on-SiC-apparaten.Naast verdere schaling van de poortlengte, tonen de eerste resultaten met AlInN als barrièremateriaal het potentieel aan om de prestaties verder te verbeteren en dus de werkfrequentie van het apparaat te verhogen tot de vereiste mm-golfbanden.
Posttijd: 23-03-21