Da die Nachfrage nach Bandbreite weiter steigt und das vorhandene Funkspektrum überfüllt wird, sucht die Telekommunikationsbranche nach neuen Technologien, um den Anforderungen der zukünftigen Mobilfunk-Kommunikation gerecht zu werden. Das Streben nach mehr Bandbreite ist untrennbar mit der Nutzung höherer Funkfrequenzen verbunden, und höhere Betriebsfrequenzen bedeuten mehr verfügbare Bandbreite.

Forscher sagen voraus, dass GaN-basierte Technologie eine wichtige Rolle im unteren Millimeterwellenbereich des HF-Spektrums (d.h. unter 50GHz) spielen wird, wenn neue III-V-Gruppenmaterialien wie Indiumphosphid für Frequenzen über 100GHz untersucht werden. Aus diesem Grund wird erwartet, dass GaN das 5G-Netzwerk der nächsten Generation bedienen wird und möglicherweise frühe Versionen von 6G bedienen wird.

Die GaN-Technologie schreibt ihr Potenzial für die HF/Niedermillimeter-Wellenkommunikation auf ihre hervorragenden physikalischen Eigenschaften zurück: hohe Stromdichte, hohe Elektronenmobilität und hohe Durchschlagsspannung. Aufgrund ihrer hohen Mobilität kann diese Technologie höhere Schaltfrequenzen verarbeiten als aktuelle siliziumbasierte Technologien.

Neben der Geschwindigkeit wird die GaN-basierte Technologie auch für ihre Leistungsverarbeitungsfähigkeit gelobt, die es ermöglicht, hohe Ausgangsleistung bei guter Energieeffizienz bereitzustellen. Diese Eigenschaften können GaN zu einer äußerst attraktiven Technologie für Leistungsverstärker (PA) machen, die in Mobiltelefonen der nächsten Generation und Frontend-Modulen kleiner Basisstationen untergebracht sind. Diese Frontend-Module senden oder empfangen HF-Signale an oder von der Antenne. Im Vergleich zu herkömmlichen Si- oder SiGe-basierten Technologien bedeutet die höhere Leistungsverarbeitungsfähigkeit von GaN einen höheren Übertragungsbereich und/oder weniger Komponenten, die für den Antrieb der Antenne erforderlich sind.

Reduzierung von Gesamtgröße und Kosten: hin zu einer praktikablen Galliumnitrid-Technologieplattform auf Siliziumbasis

Um für den Einsatz als PA in Benutzergeräten und kleinen Basisstationen geeignet zu sein, sind die Kosten- und Formfaktoren der Geräte ebenso wichtig wie ihre elektrischen Eigenschaften. Wie bereits erwähnt, trägt GaN aufgrund der inhärenten Eigenschaften dieser Technologie dazu bei, die Gesamtgröße des Front-End-Moduls zu reduzieren. Um jedoch eine hochskalierbare Gesamtgröße zu erreichen, ist es notwendig, verschiedene Komponenten der HF-Frontend-Technologie zu integrieren. Um dieses Ziel zu erreichen, passt IMEC seine GaN on Si-Technologieplattform im Rahmen seines Advanced RF-Programms an HF-Anwendungen an.

Aus Kostengründen entschied sich Imec für GaN auf Si anstelle von GaN auf SiC: Si-Substrat ist nicht nur günstiger, sondern auch kompatibel mit der CMOS-Technologie, um eine große Herstellbarkeit zu erreichen. Die GaN on Si-Technologie wurde ursprünglich für Leistungselektronik-Anwendungen entwickelt, die für die Leistungsumwandlung in Batterieladegeräten, Computern, Servern, Autos, Beleuchtungssystemen und Photovoltaik-Geräten vorgesehen ist. Allerdings sind mehrere technologische Innovationen erforderlich, um GaN on Si für mobile HF-Anwendungen geeignet zu machen. Parasitische Effekte innerhalb der Gerätestruktur müssen so weit wie möglich unterdrückt werden, um hohe Frequenzen zu erreichen. Beispiele für diese Bemühungen sind die Verringerung des Quellzugriffswiderstandes durch die Entwicklung von Technologiemodulen mit erhöhten Quell-/Drain-Elektroden und die Verringerung der parasitären Kapazität bei Gates. Um Geräte für höhere Betriebsfrequenzen zu optimieren, ist eine weitere Reduzierung der Gate-Länge erforderlich. Dies ist förderlich für höhere fT und f max, was ein Maß für die richtige Geschwindigkeit der Ausrüstung ist. Darüber hinaus muss die Pufferschicht mit HF kompatibel sein, um den HF-Substratverlust zu minimieren.

Der GaN on Si Prozessfluss von Imec für HF beginnt mit dem Wachstum der organischen chemischen Dampfabscheidung epitaxieller Strukturen auf 200-mm Siliziumwafern. Die epitaktische Struktur besteht aus einer proprietären GaN/AlGaN-Pufferstruktur, GaN-Kanälen, AlN-Zwischenschicht und AlGaN-Barriere. Das GaN HEMT-Gerät mit TiN Schottky Metalltor wird anschließend in den dreistufigen Niedertemperatur-Cu-Backend-Prozess integriert.

Wie auf der International Conference on Electronic Devices (IEDM 2020) im 2020 gezeigt wurde, nutzten Imec-Forscher diese CMOS-kompatible Plattform zur Herstellung von GaN-HEMTs. Die Optimierung der Gatemetallstapelung, des Kontaktwiderstands und der Gatenlänge proportional zu 110nm skaliert führte dazu, dass das fmax des Geräts 135GHz erreichte, was einen Schritt in Richtung Millimeterwellenanwendungen darstellt.

Die wichtigsten Qualitätsfaktoren von PA sind die Ausgangsleistung und Effizienz, die Transistoren liefern können. Wir erzielten wettbewerbsfähige Ergebnisse auf IMEC GaN on Si Plattform für 0.19 μ Die Gate Länge (LG) Gerät von m ist bei 6GHz. Diese Ergebnisse werden auf der European Microwave Week 2022 vorgestellt.

Die Leistungsfähigkeit des IMEC GaN-on-Si Prozesses wurde mit anderen GaN-on-Si und GaN-on-SiC Prozessen auf IEDM 2022 verglichen. Die roten IMEC-Daten sind einer der besten Berichte für GaN auf Si-Geräten, vergleichbar mit GaN auf SiC-Geräten. Die Verwendung kürzerer Gate-Längen kann die Messleistung bei 28GHz verbessern. Durch diese Verbesserungen ist IMEC davon überzeugt, dass die PAE von Verstärkern, die speziell für die Anforderungen der Anwender entwickelt wurden und im GaN-on Si-Verfahren hergestellt wurden, erstmals das gleiche Niveau erreicht hat wie äquivalente GaN-on SiC-Verstärker.

In den letzten Jahren, getrieben durch das Wachstum des Marktes für Leistungselektronik, ist GaN auf Si-Technologie ziemlich ausgereift, hauptsächlich aufgrund der Entwicklung von Technologien, die ursprünglich für Leistungselektronik-Anwendungen bestimmt waren. In Anbetracht der Reife bietet eingehende Forschung zu den physikalischen Mechanismen hinter dem Gerätebetrieb ein zusätzliches Werkzeug zur Verbesserung der Geräteeigenschaften. Imec ergänzt die Technologieentwicklung durch Modellierungsaktivitäten und trägt letztendlich zu einer besseren Leistung und Zuverlässigkeit bei. Die gewonnenen Erkenntnisse erleichtern nicht nur die Entwicklung von GaN HEMT-Geräten für Millimeterwellenanwendungen, sondern verbessern auch die Leistung anderer Anwendungsbereiche, einschließlich GaN-basierter Leistungselektronikprodukte.

IMEC-Forscher haben erstmals den genauen Mechanismus hinter der Ionenimplantation als Technologie zur elektrischen Isolierung von GaN HEMT-Geräten aufgedeckt. Diese Erkenntnisse helfen, die Prozessbedingungen zu verbessern, um eine gute Isolationsqualität bei der Kommunikation mit RF/mmWave zu erreichen. Diese Erkenntnisse können auch auf leistungselektronische Anwendungen ausgeweitet werden.

Darüber hinaus hat diese Studie zu einer neuen Methode zur Abschätzung der Nettodefektdichte in isolierten GaN-basierten Heterostrukturen geführt. Diese Aktivitäten eignen sich für ein breiteres Spektrum von HF-Anwendungen mit GaN-Geräteoptimierungsframeworks durch Technologie und Modellierung. Diese Bemühungen und Ergebnisse zeigen, wie die Enthüllung der physikalischen Geheimnisse hinter den technologischen Bausteinen dazu beitragen kann, diese GaN-basierten Geräte auf ein höheres Reifeniveau zu heben.