Imec دستگاه های مقیاس پذیر III-V و III-N را روی سیلیکون نشان می دهد

Imec، مرکز تحقیقات و نوآوری بلژیک، اولین ترانزیستور دوقطبی ناهمگونی مبتنی بر GaAs (HBT) کاربردی را بر روی 300 میلی‌متر Si و دستگاه‌های مبتنی بر GaN سازگار با CMOS بر روی 200 میلی‌متر Si برای کاربردهای موج میلی‌متری ارائه کرده است.

نتایج پتانسیل هر دو III-V-on-Si و GaN-on-Si را به عنوان فناوری‌های سازگار با CMOS برای فعال کردن ماژول‌های جلویی RF برای کاربردهای فراتر از 5G نشان می‌دهند.آنها در کنفرانس IEDM سال گذشته (دسامبر 2019، سانفرانسیسکو) ارائه شدند و در ارائه اصلی مایکل پیترز از Imec درباره ارتباطات مصرف کننده فراتر از پهنای باند در IEEE CCNC (10-13 ژانویه 2020، لاس وگاس) ارائه خواهند شد.

در ارتباطات بی سیم، با 5G به عنوان نسل بعدی، فشار به سمت فرکانس های عملیاتی بالاتر، حرکت از باندهای متراکم زیر 6 گیگاهرتز به سمت باندهای موج میلی متر (و فراتر از آن) وجود دارد.معرفی این باندهای موج میلی متری تأثیر قابل توجهی بر زیرساخت کلی شبکه 5G و دستگاه های تلفن همراه دارد.برای خدمات تلفن همراه و دسترسی بی‌سیم ثابت (FWA)، این به ماژول‌های جلویی پیچیده‌تر تبدیل می‌شود که سیگنال را به و از آنتن ارسال می‌کنند.

برای اینکه بتوان در فرکانس‌های موج میلی‌متری کار کرد، ماژول‌های جلویی RF باید سرعت بالا (که سرعت داده‌های 10 گیگابیت بر ثانیه و بالاتر را ممکن می‌سازد) را با توان خروجی بالا ترکیب کنند.علاوه بر این، اجرای آنها در گوشی های تلفن همراه، تقاضاهای زیادی را در ضریب فرم و کارایی توان آنها ایجاد می کند.فراتر از 5G، این الزامات دیگر با پیشرفته‌ترین ماژول‌های جلویی RF امروزی که معمولاً به انواع فن‌آوری‌های مختلف از جمله HBT‌های مبتنی بر GaAs برای تقویت‌کننده‌های قدرت - که روی بسترهای کوچک و گران‌قیمت GaAs رشد می‌کنند، متکی هستند، محقق نمی‌شوند.

نادین کولارت، مدیر برنامه در Imec می‌گوید: «برای فعال کردن نسل بعدی ماژول‌های جلویی RF فراتر از 5G، Imec فناوری III-V-on-Si سازگار با CMOS را بررسی می‌کند.Imec به دنبال ادغام اجزای جلویی (مانند تقویت‌کننده‌های قدرت و سوئیچ‌ها) با سایر مدارهای مبتنی بر CMOS (مانند مدارهای کنترلی یا فناوری فرستنده گیرنده)، برای کاهش هزینه و ضریب شکل، و توانمندسازی توپولوژی‌های مدار هیبریدی جدید است. برای رسیدگی به عملکرد و کاراییImec در حال بررسی دو مسیر مختلف است: (1) InP در Si، با هدف قرار دادن امواج میلی‌متری و فرکانس‌های بالای 100 گیگاهرتز (برنامه‌های 6G آینده) و (2) دستگاه‌های مبتنی بر GaN در Si، با هدف قرار دادن (در مرحله اول) امواج میلی‌متری پایین‌تر. باندها و رسیدگی به کاربردهایی که نیاز به چگالی توان بالا دارند.برای هر دو مسیر، ما اکنون اولین دستگاه‌های کاربردی با ویژگی‌های عملکرد امیدوارکننده را به دست آورده‌ایم، و راه‌هایی را برای افزایش بیشتر فرکانس‌های عملیاتی آنها شناسایی کرده‌ایم.»

دستگاه‌های عملکردی GaAs/InGaP HBT که روی 300 میلی‌متر Si رشد کرده‌اند، به‌عنوان اولین گام در جهت فعال‌سازی دستگاه‌های مبتنی بر InP نشان داده شده‌اند.یک پشته دستگاه بدون نقص با چگالی نابجایی رزوه ای کمتر از 3x106cm-2 با استفاده از فرآیند منحصر به فرد مهندسی نانو رج (NRE) III-V Imec به دست آمد.این دستگاه‌ها به طور قابل‌توجهی بهتر از دستگاه‌های مرجع عمل می‌کنند، با GaAs ساخته شده بر روی بسترهای Si با لایه‌های بافر آرام‌شده (SRB).در مرحله بعدی، دستگاه‌های مبتنی بر InP با تحرک بالاتر (HBT و HEMT) مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

تصویر بالا رویکرد NRE را برای ادغام هیبریدی III-V/CMOS در 300 میلی‌متر Si نشان می‌دهد: (الف) تشکیل نانو ترانشه.نقص در منطقه باریک ترانشه به دام افتاده است.(ب) رشد پشته HBT با استفاده از NRE و (ج) گزینه های طرح بندی مختلف برای ادغام دستگاه HBT.

علاوه بر این، دستگاه‌های مبتنی بر GaN/AlGaN سازگار با CMOS بر روی 200 میلی‌متر Si ساخته شده‌اند که سه معماری دستگاه مختلف - HEMT، MOSFET و MISHEMT را با هم مقایسه می‌کنند.نشان داده شد که دستگاه های MISHEMT از نظر مقیاس پذیری دستگاه و عملکرد نویز برای عملکرد با فرکانس بالا از انواع دستگاه های دیگر بهتر عمل می کنند.فرکانس‌های برش اوج fT/fmax در حدود 50/40 برای طول‌های گیت 300 نانومتری به‌دست آمد که مطابق با دستگاه‌های GaN-on-SiC گزارش‌شده است.علاوه بر مقیاس بندی بیشتر طول دروازه، اولین نتایج با AlInN به عنوان یک ماده مانع، پتانسیل بهبود بیشتر عملکرد و از این رو، افزایش فرکانس کاری دستگاه را به باندهای موج میلی متری مورد نیاز نشان می دهد.