Imec, l'hub di ricerca e innovazione belga, ha presentato i primi dispositivi funzionali a transistor bipolare a eterogiunzione (HBT) basati su GaAs su 300 mm Si e dispositivi basati su GaN compatibili con CMOS su 200 mm Si per applicazioni con onde mm.
I risultati dimostrano il potenziale di III-V-on-Si e GaN-on-Si come tecnologie compatibili con CMOS per abilitare moduli front-end RF per applicazioni oltre il 5G.Sono stati presentati alla conferenza IEDM dell'anno scorso (dicembre 2019, San Francisco) e saranno presentati in una presentazione chiave di Michael Peeters di Imec sulla comunicazione dei consumatori oltre la banda larga all'IEEE CCNC (10-13 gennaio 2020, Las Vegas).
Nella comunicazione wireless, con il 5G come la prossima generazione, c'è una spinta verso frequenze operative più elevate, passando dalle bande congestionate al di sotto dei 6GHz verso le bande d'onda mm (e oltre).L'introduzione di queste bande di onde mm ha un impatto significativo sull'infrastruttura di rete 5G complessiva e sui dispositivi mobili.Per i servizi mobili e Fixed Wireless Access (FWA), questo si traduce in moduli front-end sempre più complessi che inviano il segnale da e verso l'antenna.
Per poter operare a frequenze di onde mm, i moduli front-end RF dovranno combinare l'alta velocità (consentendo velocità di trasmissione dati di 10 Gbps e oltre) con un'elevata potenza di uscita.Inoltre, la loro implementazione nei telefoni cellulari pone elevate esigenze in termini di fattore di forma ed efficienza energetica.Oltre al 5G, questi requisiti non possono più essere raggiunti con i moduli front-end RF più avanzati di oggi che in genere si basano su una varietà di tecnologie diverse, tra cui HBT basati su GaAs per gli amplificatori di potenza, cresciuti su substrati GaAs piccoli e costosi.
"Per abilitare i moduli front-end RF di prossima generazione oltre il 5G, Imec esplora la tecnologia III-V-on-Si compatibile con CMOS", afferma Nadine Collaert, direttore del programma di Imec."Imec sta esaminando la cointegrazione di componenti front-end (come amplificatori di potenza e interruttori) con altri circuiti basati su CMOS (come i circuiti di controllo o la tecnologia del ricetrasmettitore), per ridurre i costi e il fattore di forma e abilitare nuove topologie di circuiti ibridi per affrontare le prestazioni e l'efficienza.Imec sta esplorando due percorsi diversi: (1) InP su Si, mirato a onde mm e frequenze superiori a 100 GHz (future applicazioni 6G) e (2) dispositivi basati su GaN su Si, mirati (in una prima fase) all'onda mm inferiore bande e applicazioni di indirizzamento che necessitano di densità di potenza elevate.Per entrambe le rotte, abbiamo ora ottenuto i primi dispositivi funzionali con caratteristiche prestazionali promettenti e abbiamo identificato modi per migliorare ulteriormente le loro frequenze operative".
I dispositivi funzionali GaAs/InGaP HBT cresciuti su 300 mm Si sono stati dimostrati come un primo passo verso l'abilitazione di dispositivi basati su InP.Uno stack di dispositivi privo di difetti con una densità di dislocazione del threading inferiore a 3x106 cm-2 è stato ottenuto utilizzando l'esclusivo processo di ingegneria nano-ridge III-V (NRE) di Imec.I dispositivi hanno prestazioni notevolmente migliori rispetto ai dispositivi di riferimento, con GaAs fabbricati su substrati di Si con strati di buffer rilassato a deformazione (SRB).In una fase successiva, verranno esplorati i dispositivi basati su InP a mobilità più elevata (HBT e HEMT).
L'immagine sopra mostra l'approccio NRE per l'integrazione ibrida III-V/CMOS su 300 mm Si: (a) formazione di nano-trench;i difetti sono intrappolati nella stretta regione della trincea;(b) crescita dello stack HBT utilizzando NRE e (c) diverse opzioni di layout per l'integrazione del dispositivo HBT.
Inoltre, sono stati fabbricati dispositivi basati su GaN/AlGaN compatibili con CMOS su 200 mm Si confrontando tre diverse architetture di dispositivi: HEMT, MOSFET e MISHEMT.È stato dimostrato che i dispositivi MISHEMT superano gli altri tipi di dispositivi in termini di scalabilità del dispositivo e prestazioni di rumore per il funzionamento ad alta frequenza.Le frequenze di taglio del picco di fT/fmax intorno a 50/40 sono state ottenute per lunghezze di gate di 300 nm, che è in linea con i dispositivi GaN-on-SiC riportati.Oltre all'ulteriore ridimensionamento della lunghezza del gate, i primi risultati con AlInN come materiale barriera mostrano il potenziale per migliorare ulteriormente le prestazioni e, quindi, aumentare la frequenza operativa del dispositivo alle bande di onde mm richieste.
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