Imec, det belgiska forsknings- och innovationsnavet, har presenterat de första funktionella GaAs-baserade heterojunction bipolar transistor (HBT)-enheterna på 300 mm Si och CMOS-kompatibla GaN-baserade enheter på 200 mm Si för mm-vågsapplikationer.
Resultaten visar potentialen hos både III-V-on-Si och GaN-on-Si som CMOS-kompatibla teknologier för att möjliggöra RF front-end-moduler för bortom 5G-applikationer.De presenterades på förra årets IEDM-konferens (dec 2019, San Francisco) och kommer att presenteras i en keynote-presentation av Imecs Michael Peeters om konsumentkommunikation bortom bredband på IEEE CCNC (10-13 januari 2020, Las Vegas).
Inom trådlös kommunikation, med 5G som nästa generation, finns en push mot högre driftfrekvenser, från de överbelastade sub-6GHz-banden mot mm-vågsband (och vidare).Införandet av dessa mm-vågsband har en betydande inverkan på den övergripande 5G-nätverksinfrastrukturen och de mobila enheterna.För mobila tjänster och FWA (Fixed Wireless Access) översätts detta till allt mer komplexa front-end-moduler som skickar signalen till och från antennen.
För att kunna arbeta vid mm-vågsfrekvenser måste RF-frontmodulerna kombinera hög hastighet (möjliggör datahastigheter på 10 Gbps och mer) med hög uteffekt.Dessutom ställer deras implementering i mobiltelefoner höga krav på deras formfaktor och effekteffektivitet.Utöver 5G kan dessa krav inte längre uppnås med dagens mest avancerade RF front-end-moduler som vanligtvis förlitar sig på en mängd olika teknologier, bland annat GaAs-baserade HBT:er för effektförstärkarna - odlade på små och dyra GaAs-substrat.
"För att möjliggöra nästa generations RF front-end-moduler bortom 5G, utforskar Imec CMOS-kompatibel III-V-on-Si-teknik", säger Nadine Collaert, programchef på Imec."Imec undersöker samintegration av front-end-komponenter (som effektförstärkare och switchar) med andra CMOS-baserade kretsar (som styrkretsar eller transceiverteknologi), för att minska kostnaden och formfaktorn och möjliggöra nya hybridkretstopologier för att ta itu med prestanda och effektivitet.Imec utforskar två olika rutter: (1) InP på Si, inriktad på mm-våg och frekvenser över 100GHz (framtida 6G-applikationer) och (2) GaN-baserade enheter på Si, inriktad (i en första fas) den nedre mm-vågen band och adresserande applikationer i behov av höga effekttätheter.För båda rutterna har vi nu skaffat första funktionella enheter med lovande prestandaegenskaper, och vi har identifierat sätt att ytterligare förbättra deras driftfrekvenser."
Funktionella GaAs/InGaP HBT-enheter odlade på 300 mm Si har visats som ett första steg mot aktiveringen av InP-baserade enheter.En defektfri enhetsstapel med under 3x106cm-2 gängdislokationsdensitet erhölls genom att använda Imecs unika III-V nano-ridge engineering (NRE) process.Enheterna presterar betydligt bättre än referensenheter, med GaAs tillverkade på Si-substrat med strain relaxed buffer (SRB) lager.I ett nästa steg kommer InP-baserade enheter med högre rörlighet (HBT och HEMT) att utforskas.
Bilden ovan visar NRE-metoden för hybrid III-V/CMOS-integration på 300 mm Si: (a) bildande av nanodike;defekter är fångade i det smala dikeområdet;(b) HBT-stacktillväxt med hjälp av NRE och (c) olika layoutalternativ för HBT-enhetsintegration.
Dessutom har CMOS-kompatibla GaN/AlGaN-baserade enheter på 200 mm Si tillverkats genom att jämföra tre olika enhetsarkitekturer - HEMT, MOSFET och MISHEMT.Det visades att MISHEMT-enheter överträffar de andra enhetstyperna när det gäller enhetsskalbarhet och brusprestanda för högfrekvent drift.Toppgränsfrekvenser på fT/fmax runt 50/40 erhölls för 300nm grindlängder, vilket är i linje med rapporterade GaN-on-SiC-enheter.Förutom ytterligare grindlängdsskalning visar de första resultaten med AlInN som ett barriärmaterial potentialen att ytterligare förbättra prestandan och därmed öka enhetens driftsfrekvens till de erforderliga mm-vågbanden.
Posttid: 23-03-21