Imec, belgijskie centrum badań i innowacji, zaprezentowało pierwsze funkcjonalne urządzenia oparte na heterozłączu tranzystorowym bipolarnym (HBT) na bazie GaAs na 300 mm Si oraz urządzenia na bazie GaN kompatybilne z CMOS na 200 mm Si do zastosowań na falach mm.
Wyniki pokazują potencjał technologii III-V-on-Si i GaN-on-Si jako technologii kompatybilnych z CMOS, które umożliwiają modułom RF front-end wykraczać poza zastosowania 5G.Zostały one zaprezentowane na zeszłorocznej konferencji IEDM (grudzień 2019 r., San Francisco) i zostaną przedstawione w głównej prezentacji Michaela Peetersa z firmy Imec na temat komunikacji konsumenckiej poza szerokopasmowymi łączami na IEEE CCNC (10-13 stycznia 2020 r., Las Vegas).
W komunikacji bezprzewodowej, z 5G jako następną generacją, istnieje nacisk w kierunku wyższych częstotliwości roboczych, przechodząc z zatłoczonych pasm poniżej 6 GHz w kierunku pasm fal mm (i dalej).Wprowadzenie tych pasm fal mm ma znaczący wpływ na całą infrastrukturę sieci 5G i urządzenia mobilne.W przypadku usług mobilnych i stałego dostępu bezprzewodowego (FWA) przekłada się to na coraz bardziej złożone moduły front-end, które wysyłają sygnał do i z anteny.
Aby móc działać na częstotliwościach fal milimetrowych, moduły front-end RF będą musiały łączyć wysoką prędkość (umożliwiającą przesyłanie danych na poziomie 10 Gb/s i więcej) z wysoką mocą wyjściową.Ponadto ich wdrożenie w telefonach komórkowych stawia wysokie wymagania dotyczące ich kształtu i wydajności energetycznej.Poza 5G, tych wymagań nie da się już spełnić za pomocą dzisiejszych najbardziej zaawansowanych modułów front-end RF, które zazwyczaj opierają się na wielu różnych technologiach, w tym HBT opartych na GaAs dla wzmacniaczy mocy - hodowanych na małych i drogich podłożach GaAs.
„Aby umożliwić moduły front-end nowej generacji RF, wykraczające poza 5G, Imec bada technologię III-V-on-Si zgodną z CMOS”, mówi Nadine Collaert, dyrektor programowy w firmie Imec.„Imec poszukuje możliwości integracji komponentów front-end (takich jak wzmacniacze mocy i przełączniki) z innymi obwodami opartymi na CMOS (takimi jak obwody sterujące lub technologia nadawczo-odbiorcza), aby obniżyć koszty i współczynnik kształtu oraz umożliwić nowe topologie obwodów hybrydowych aby zająć się wydajnością i efektywnością.Firma Imec bada dwie różne drogi: (1) InP na Si, celując w fale mm i częstotliwości powyżej 100 GHz (przyszłe zastosowania 6G) oraz (2) urządzenia oparte na GaN na Si, celując (w pierwszej fazie) niższą falę mm pasma i adresowanie aplikacji wymagających wysokich gęstości mocy.W przypadku obu tras uzyskaliśmy teraz pierwsze funkcjonalne urządzenia o obiecującej charakterystyce działania i zidentyfikowaliśmy sposoby dalszego zwiększania częstotliwości ich działania”.
Funkcjonalne urządzenia GaAs/InGaP HBT wyhodowane na 300 mm Si zostały zademonstrowane jako pierwszy krok w kierunku wprowadzenia urządzeń opartych na InP.Stos urządzeń bez defektów o gęstości dyslokacji wątków poniżej 3x106cm-2 uzyskano przy użyciu unikalnego procesu inżynierii nano-grzbietowej III-V firmy Imec (NRE).Urządzenia działają znacznie lepiej niż urządzenia referencyjne, z GaAs wytwarzanymi na podłożach Si z warstwami buforu odprężonego (SRB).W następnym kroku zbadane zostaną urządzenia oparte na technologii InP o wyższej mobilności (HBT i HEMT).
Powyższy rysunek przedstawia podejście NRE do hybrydowej integracji III-V/CMOS na 300 mm Si: (a) tworzenie nanowykopów;defekty są uwięzione w wąskim obszarze wykopu;(b) wzrost stosu HBT przy użyciu NRE oraz (c) różne opcje układu dla integracji urządzenia HBT.
Co więcej, wyprodukowano kompatybilne z CMOS urządzenia oparte na GaN/AlGaN na 200 mm Si, porównując trzy różne architektury urządzeń - HEMT, MOSFET i MISHEMT.Wykazano, że urządzenia MISHEMT przewyższają inne typy urządzeń pod względem skalowalności i wydajności szumów przy pracy o wysokiej częstotliwości.Szczytowe częstotliwości odcięcia fT/fmax około 50/40 uzyskano dla długości bramki 300 nm, co jest zgodne z zgłoszonymi urządzeniami GaN-on-SiC.Poza dalszym skalowaniem długości bramki, pierwsze wyniki z AlInN jako materiałem barierowym wykazują potencjał do dalszej poprawy wydajności, a tym samym zwiększenia częstotliwości roboczej urządzenia do wymaganych pasm fal milimetrowych.
Czas publikacji: 23-03-21