Imec, el centro belga de investigación e innovación, ha presentado los primeros dispositivos funcionales de transistor bipolar de heterounión (HBT) basados en GaAs en Si de 300 mm y dispositivos basados en GaN compatibles con CMOS en Si de 200 mm para aplicaciones de onda milimétrica.
Los resultados demuestran el potencial de III-V-on-Si y GaN-on-Si como tecnologías compatibles con CMOS para habilitar módulos frontales de RF para aplicaciones más allá de 5G.Se presentaron en la conferencia IEDM del año pasado (diciembre de 2019, San Francisco) y se presentarán en una presentación principal de Michael Peeters de Imec sobre la comunicación del consumidor más allá de la banda ancha en IEEE CCNC (10-13 de enero de 2020, Las Vegas).
En la comunicación inalámbrica, con 5G como la próxima generación, hay un impulso hacia frecuencias operativas más altas, moviéndose desde las bandas congestionadas por debajo de 6 GHz hacia bandas de onda milimétrica (y más allá).La introducción de estas bandas de ondas milimétricas tiene un impacto significativo en la infraestructura general de la red 5G y los dispositivos móviles.Para los servicios móviles y el acceso inalámbrico fijo (FWA), esto se traduce en módulos frontales cada vez más complejos que envían la señal hacia y desde la antena.
Para poder operar a frecuencias de ondas milimétricas, los módulos frontales de RF deberán combinar alta velocidad (permitiendo velocidades de datos de 10 Gbps y más) con alta potencia de salida.Además, su implementación en teléfonos móviles exige mucho de su factor de forma y eficiencia energética.Más allá de 5G, estos requisitos ya no se pueden cumplir con los módulos frontales de RF más avanzados de la actualidad que normalmente se basan en una variedad de tecnologías diferentes, entre otras, HBT basadas en GaAs para los amplificadores de potencia, cultivadas en sustratos de GaAs pequeños y costosos.
“Para habilitar los módulos frontales de RF de próxima generación más allá de 5G, Imec explora la tecnología III-V-on-Si compatible con CMOS”, dice Nadine Collaert, directora de programas de Imec.“Imec está investigando la cointegración de componentes front-end (como amplificadores de potencia e interruptores) con otros circuitos basados en CMOS (como circuitos de control o tecnología de transceptor), para reducir el costo y el factor de forma, y permitir nuevas topologías de circuitos híbridos. para abordar el rendimiento y la eficiencia.Imec está explorando dos rutas diferentes: (1) InP en Si, apuntando a la onda milimétrica y frecuencias superiores a 100 GHz (futuras aplicaciones 6G) y (2) dispositivos basados en GaN en Si, apuntando (en una primera fase) a la onda milimétrica inferior bandas y aplicaciones de direccionamiento que necesitan altas densidades de potencia.Para ambas rutas, ahora hemos obtenido los primeros dispositivos funcionales con características de rendimiento prometedoras, e identificamos formas de mejorar aún más sus frecuencias operativas”.
Los dispositivos GaAs/InGaP HBT funcionales desarrollados en Si de 300 mm se han demostrado como un primer paso hacia la habilitación de dispositivos basados en InP.Se obtuvo una pila de dispositivos sin defectos con una densidad de dislocación de roscado inferior a 3x106 cm-2 mediante el uso del proceso de ingeniería de nano-ridge (NRE) III-V único de Imec.Los dispositivos funcionan considerablemente mejor que los dispositivos de referencia, con GaAs fabricados en sustratos de Si con capas de amortiguación de tensión relajada (SRB).En un próximo paso, se explorarán los dispositivos basados en InP de mayor movilidad (HBT y HEMT).
La imagen de arriba muestra el enfoque NRE para la integración híbrida III-V/CMOS en Si de 300 mm: (a) formación de nanozanjas;los defectos quedan atrapados en la región estrecha de la zanja;(b) crecimiento de la pila HBT utilizando NRE y (c) diferentes opciones de diseño para la integración de dispositivos HBT.
Además, se han fabricado dispositivos basados en GaN/AlGaN compatibles con CMOS en Si de 200 mm comparando tres arquitecturas de dispositivos diferentes: HEMT, MOSFET y MISHEMT.Se demostró que los dispositivos MISHEMT superan a los otros tipos de dispositivos en términos de escalabilidad del dispositivo y rendimiento de ruido para operación de alta frecuencia.Se obtuvieron frecuencias de corte máximas de fT/fmax alrededor de 50/40 para longitudes de puerta de 300 nm, lo que está en línea con los dispositivos GaN-on-SiC informados.Además de una mayor escala de longitud de puerta, los primeros resultados con AlInN como material de barrera muestran el potencial para mejorar aún más el rendimiento y, por lo tanto, aumentar la frecuencia operativa del dispositivo a las bandas de ondas milimétricas requeridas.
Hora de publicación: 23-03-21