Imec, det belgiske forsknings- og innovationshub, har præsenteret de første funktionelle GaAs-baserede heterojunction bipolar transistor (HBT) enheder på 300 mm Si og CMOS-kompatible GaN-baserede enheder på 200 mm Si til mm-bølge applikationer.
Resultaterne demonstrerer potentialet af både III-V-on-Si og GaN-on-Si som CMOS-kompatible teknologier til at aktivere RF frontend-moduler til andre 5G-applikationer.De blev præsenteret på sidste års IEDM-konference (dec. 2019, San Francisco) og vil blive præsenteret i en hovedpræsentation af Imecs Michael Peeters om forbrugerkommunikation ud over bredbånd på IEEE CCNC (10.-13. januar 2020, Las Vegas).
Inden for trådløs kommunikation, med 5G som næste generation, er der et skub i retning af højere driftsfrekvenser, der bevæger sig fra de overbelastede sub-6GHz-bånd mod mm-bølgebånd (og videre).Introduktionen af disse mm-bølgebånd har en betydelig indvirkning på den overordnede 5G-netværksinfrastruktur og de mobile enheder.For mobile tjenester og FWA (Fixed Wireless Access) udmønter dette sig i stadig mere komplekse frontend-moduler, der sender signalet til og fra antennen.
For at kunne fungere ved mm-bølgefrekvenser skal RF front-end modulerne kombinere høj hastighed (som muliggør datahastigheder på 10 Gbps og derover) med høj udgangseffekt.Derudover stiller deres implementering i mobiltelefoner høje krav til deres formfaktor og strømeffektivitet.Ud over 5G kan disse krav ikke længere opnås med nutidens mest avancerede RF frontend-moduler, der typisk er afhængige af en række forskellige teknologier, blandt andre GaAs-baserede HBT'er til effektforstærkerne - dyrket på små og dyre GaAs-substrater.
"For at aktivere næste generations RF-frontend-moduler ud over 5G, udforsker Imec CMOS-kompatibel III-V-on-Si-teknologi", siger Nadine Collaert, programdirektør hos Imec."Imec undersøger samintegration af front-end-komponenter (såsom effektforstærkere og switches) med andre CMOS-baserede kredsløb (såsom kontrolkredsløb eller transceiverteknologi), for at reducere omkostninger og formfaktor og muliggøre nye hybridkredsløbstopologier at adressere ydeevne og effektivitet.Imec udforsker to forskellige ruter: (1) InP på Si, målrettet mod mm-bølge og frekvenser over 100GHz (fremtidige 6G-applikationer) og (2) GaN-baserede enheder på Si, målrettet (i en første fase) den nedre mm-bølge bånd og adressering af applikationer med behov for høje effekttætheder.For begge ruter har vi nu fået de første funktionelle enheder med lovende ydeevnekarakteristika, og vi har identificeret måder, hvorpå vi kan forbedre deres driftsfrekvenser yderligere."
Funktionelle GaAs/InGaP HBT-enheder dyrket på 300 mm Si er blevet demonstreret som et første skridt mod aktivering af InP-baserede enheder.En defektfri enhedsstabel med under 3x106cm-2 gevinddislokationsdensitet blev opnået ved at bruge Imecs unikke III-V nano-ridge engineering (NRE) proces.Enhederne yder betydeligt bedre end referenceenheder, med GaAs fremstillet på Si-substrater med strain relaxed buffer (SRB) lag.I et næste trin vil InP-baserede enheder med højere mobilitet (HBT og HEMT) blive udforsket.
Billedet ovenfor viser NRE-tilgangen til hybrid III-V/CMOS-integration på 300 mm Si: (a) dannelse af nanograve;defekter er fanget i den smalle grøftregion;(b) HBT-stakvækst ved hjælp af NRE og (c) forskellige layoutmuligheder for HBT-enhedsintegration.
Desuden er CMOS-kompatible GaN/AlGaN-baserede enheder på 200 mm Si blevet fremstillet ved at sammenligne tre forskellige enhedsarkitekturer - HEMT'er, MOSFET'er og MISHEMT'er.Det blev vist, at MISHEMT-enheder overgår de andre enhedstyper med hensyn til enhedsskalerbarhed og støjydeevne til højfrekvent drift.Peak cut-off frekvenser på fT/fmax omkring 50/40 blev opnået for 300nm gate længder, hvilket er på linje med rapporterede GaN-on-SiC enheder.Udover yderligere skalering af portlængde viser de første resultater med AlInN som et barrieremateriale potentialet til yderligere at forbedre ydeevnen og dermed øge enhedens driftsfrekvens til de nødvendige mm-bølgebånd.
Posttid: 23-03-21