Imec, det belgiske forsknings- og innovasjonssenteret, har presentert de første funksjonelle GaAs-baserte heterojunction bipolar transistor (HBT)-enhetene på 300 mm Si, og CMOS-kompatible GaN-baserte enheter på 200 mm Si for mm-bølgeapplikasjoner.
Resultatene viser potensialet til både III-V-on-Si og GaN-on-Si som CMOS-kompatible teknologier for å muliggjøre RF-frontend-moduler for utover 5G-applikasjoner.De ble presentert på fjorårets IEDM-konferanse (des 2019, San Francisco) og vil bli omtalt i en hovedpresentasjon av Imecs Michael Peeters om forbrukerkommunikasjon utover bredbånd på IEEE CCNC (10.–13. januar 2020, Las Vegas).
I trådløs kommunikasjon, med 5G som neste generasjon, er det et press mot høyere driftsfrekvenser, og beveger seg fra de overbelastede sub-6GHz-båndene mot mm-bølgebånd (og utover).Innføringen av disse mm-bølgebåndene har en betydelig innvirkning på den generelle 5G-nettverksinfrastrukturen og de mobile enhetene.For mobile tjenester og FWA (Fixed Wireless Access) oversettes dette til stadig mer komplekse frontend-moduler som sender signalet til og fra antennen.
For å kunne operere ved mm-bølgefrekvenser, må RF-frontmodulene kombinere høy hastighet (som muliggjør datahastigheter på 10 Gbps og mer) med høy utgangseffekt.I tillegg stiller deres implementering i mobiltelefoner høye krav til formfaktor og strømeffektivitet.Utover 5G kan disse kravene ikke lenger oppnås med dagens mest avanserte RF-frontend-moduler som vanligvis er avhengige av en rekke forskjellige teknologier, blant annet GaAs-baserte HBT-er for effektforsterkerne - dyrket på små og dyre GaAs-substrater.
"For å aktivere neste generasjons RF-frontend-moduler utover 5G, utforsker Imec CMOS-kompatibel III-V-on-Si-teknologi", sier Nadine Collaert, programdirektør i Imec."Imec ser på samintegrasjon av front-end-komponenter (som effektforsterkere og brytere) med andre CMOS-baserte kretser (som kontrollkretser eller transceiver-teknologi), for å redusere kostnader og formfaktor, og muliggjøre nye hybridkretstopologier for å adressere ytelse og effektivitet.Imec utforsker to forskjellige ruter: (1) InP på Si, målrettet mot mm-bølge og frekvenser over 100GHz (fremtidige 6G-applikasjoner) og (2) GaN-baserte enheter på Si, målrettet (i en første fase) den nedre mm-bølgen bånd og adresseringsapplikasjoner som trenger høye effekttettheter.For begge rutene har vi nå fått de første funksjonelle enhetene med lovende ytelsesegenskaper, og vi har identifisert måter å forbedre driftsfrekvensene deres ytterligere.»
Funksjonelle GaAs/InGaP HBT-enheter dyrket på 300 mm Si har blitt demonstrert som et første skritt mot aktivering av InP-baserte enheter.En defektfri enhetsstabel med under 3x106cm-2 gjengedislokasjonstetthet ble oppnådd ved å bruke Imecs unike III-V nano-ridge engineering (NRE) prosess.Enhetene yter betydelig bedre enn referanseenheter, med GaAs produsert på Si-substrater med strain relaxed buffer (SRB) lag.I et neste trinn vil InP-baserte enheter med høyere mobilitet (HBT og HEMT) bli utforsket.
Bildet ovenfor viser NRE-tilnærmingen for hybrid III-V/CMOS-integrasjon på 300 mm Si: (a) nano-grøftformasjon;defekter er fanget i den smale grøftregionen;(b) HBT-stabelvekst ved bruk av NRE og (c) forskjellige layoutalternativer for HBT-enhetsintegrasjon.
Dessuten har CMOS-kompatible GaN/AlGaN-baserte enheter på 200 mm Si blitt produsert ved å sammenligne tre forskjellige enhetsarkitekturer - HEMT-er, MOSFET-er og MISHEMT-er.Det ble vist at MISHEMT-enheter overgår de andre enhetstypene når det gjelder enhetsskalerbarhet og støyytelse for høyfrekvent drift.Toppgrensefrekvenser på fT/fmax rundt 50/40 ble oppnådd for 300nm portlengder, som er i tråd med rapporterte GaN-on-SiC-enheter.Foruten ytterligere gatelengdeskalering, viser de første resultatene med AlInN som et barrieremateriale potensialet til å forbedre ytelsen ytterligere, og dermed øke driftsfrekvensen til enheten til de nødvendige mm-bølgebåndene.
Innleggstid: 23-03-21