Imec, le pôle belge de recherche et d'innovation, a présenté les premiers dispositifs à transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) fonctionnels à base de GaAs sur Si 300 mm et des dispositifs à base de GaN compatibles CMOS sur Si 200 mm pour les applications à ondes millimétriques.
Les résultats démontrent le potentiel des technologies III-V-on-Si et GaN-on-Si en tant que technologies compatibles CMOS pour activer les modules frontaux RF pour les applications au-delà de la 5G.Ils ont été présentés à la conférence IEDM de l'année dernière (décembre 2019, San Francisco) et seront présentés dans une présentation liminaire de Michael Peeters d'Imec sur la communication grand public au-delà du haut débit à l'IEEE CCNC (10-13 janvier 2020, Las Vegas).
Dans la communication sans fil, avec la 5G comme prochaine génération, il y a une poussée vers des fréquences de fonctionnement plus élevées, passant des bandes sous-6 GHz encombrées vers des bandes d'ondes millimétriques (et au-delà).L'introduction de ces bandes d'ondes millimétriques a un impact significatif sur l'infrastructure globale du réseau 5G et les appareils mobiles.Pour les services mobiles et l'accès fixe sans fil (FWA), cela se traduit par des modules frontaux de plus en plus complexes qui envoient le signal vers et depuis l'antenne.
Pour pouvoir fonctionner à des fréquences d'ondes millimétriques, les modules frontaux RF devront combiner une vitesse élevée (permettant des débits de données de 10 Gbps et au-delà) avec une puissance de sortie élevée.De plus, leur mise en œuvre dans les combinés mobiles impose des exigences élevées en matière de facteur de forme et d'efficacité énergétique.Au-delà de la 5G, ces exigences ne peuvent plus être satisfaites avec les modules frontaux RF les plus avancés d'aujourd'hui qui reposent généralement sur une variété de technologies différentes, entre autres des HBT à base de GaAs pour les amplificateurs de puissance - développés sur des substrats GaAs petits et coûteux.
« Pour activer les modules frontaux RF de nouvelle génération au-delà de la 5G, Imec explore la technologie III-V-on-Si compatible CMOS », déclare Nadine Collaert, directrice de programme chez Imec."Imec étudie la co-intégration des composants frontaux (tels que les amplificateurs de puissance et les commutateurs) avec d'autres circuits basés sur CMOS (tels que les circuits de contrôle ou la technologie d'émetteur-récepteur), afin de réduire les coûts et le facteur de forme, et de permettre de nouvelles topologies de circuits hybrides. pour répondre aux performances et à l'efficacité.Imec explore deux voies différentes : (1) InP sur Si, ciblant l'onde mm et les fréquences supérieures à 100 GHz (futures applications 6G) et (2) les dispositifs à base de GaN sur Si, ciblant (dans un premier temps) l'onde mm inférieure bandes et applications d'adressage nécessitant des densités de puissance élevées.Pour les deux itinéraires, nous avons maintenant obtenu les premiers appareils fonctionnels avec des caractéristiques de performance prometteuses, et nous avons identifié des moyens d'améliorer encore leurs fréquences de fonctionnement.
Les dispositifs fonctionnels GaAs/InGaP HBT développés sur 300 mm Si ont été démontrés comme une première étape vers l'activation des dispositifs basés sur InP.Une pile de dispositifs sans défaut avec une densité de dislocation de filetage inférieure à 3 x 106 cm-2 a été obtenue en utilisant le processus unique d'ingénierie des nano-arêtes III-V (NRE) d'Imec.Les dispositifs fonctionnent considérablement mieux que les dispositifs de référence, avec du GaAs fabriqué sur des substrats Si avec des couches tampons à relaxation de contrainte (SRB).Dans une prochaine étape, des dispositifs basés sur InP à plus grande mobilité (HBT et HEMT) seront explorés.
L'image ci-dessus montre l'approche NRE pour l'intégration hybride III-V/CMOS sur Si 300 mm : (a) formation de nano-tranchées ;les défauts sont piégés dans la région de la tranchée étroite ;(b) Croissance de la pile HBT à l'aide de NRE et (c) différentes options de mise en page pour l'intégration des appareils HBT.
De plus, des dispositifs à base de GaN/AlGaN compatibles CMOS sur du Si de 200 mm ont été fabriqués en comparant trois architectures de dispositifs différentes - les HEMT, les MOSFET et les MISHEMT.Il a été démontré que les appareils MISHEMT surpassent les autres types d'appareils en termes d'évolutivité des appareils et de performances de bruit pour un fonctionnement à haute fréquence.Des fréquences de coupure maximales de fT/fmax autour de 50/40 ont été obtenues pour des longueurs de grille de 300 nm, ce qui est conforme aux dispositifs GaN-sur-SiC rapportés.Outre une mise à l'échelle supplémentaire de la longueur de grille, les premiers résultats avec AlInN en tant que matériau barrière montrent le potentiel d'améliorer encore les performances et, par conséquent, d'augmenter la fréquence de fonctionnement du dispositif aux bandes d'ondes mm requises.
Heure de publication : 23-03-21