Post on 16-Feb-2022
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
GaN-Leistungselektronik für Mikrowellenanwendungen
Joachim Würfl
Ferdinand-Braun-Institut für HöchstfrequenztechnikAlbert-Einstein-Straße 1112489 Berlin - Germany
Email: wuerfl@ieee.org
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
Gliederung
Warum GaN-Mikrowellenelektronik?
GaN/AlGaN elektronische Bauelemente
Technologie und Charakterisierung
Zusammenfassung und Ausblick
• Vorteile von GaN-basierten Bauelementen• Anwendungen und Märkte
• HEMTs• HBTs• Einfluss der spontanen und
piezoelektrischen Polarisation
• Epitaxie und Prozesstechnologie• DC- und Mikrowelleneigenschaften• Thermisches Verhalten• Zuverlässigkeit
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
Material-Eigenschaften
Si GaAs 4H-SiC 6H-SiC GaN
Bandabstand [eV] 1.1 ind 1,43 dir. 3.26 ind. 3.0 ind. 3.42 dir
Beweglichkeit [cm2/Vs] 1350 8500 800 250 800
Durchbruchspannung [106 V/cm] 0.3 0.4 2.0 2.4 3.3
Sättigungsgeschwindigkeit [107cm/s] 1.0 2.0 2.0 2.0 2.7
Johnsons Figure of Merit [µµVBr2 x vsat
2] 1 7 180 260 760
Betriebstemperatur [°C] < 200 < 300 > 500 > 500 > 500
ÞÞ Einsatzmöglichkeiten: A) Hochleistungs-/Hochfrequenzelektronik
B) Hochtemperaturelektronik
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
Eigenschaften verschiedener HF-Bauelemente
fmax
fT
gm
σVT
Pdiss
PowerHandling
BreakdownVoltage
Distortion
1/f noise
RF noise
Low noise amplifier
Osc
illato
r
GaAs - HEMTGaAs - HBTSi - BJT
High speed communication
Gate
arrayA
DC
AS
ICA
ircooledLSI
Highpower
ampl
ifier
GaN - HEMT
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
Erzeugung von Hochfrequenzleistung:Einsatzbereiche unterschiedlicher Technologien
0,1 1 10 100 1000
Frequenz (GHz)
0,1
1
10
100
1000
max
imal
e Le
istu
ng (
Wat
t)
Si
SiGeGaAs
InP
SiC
GaN
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
Einsatz von GaN in „Wireless“-SystemenSystemspezifische Entwicklungstrends
Künftige Realisierung in GaN-Technologien
• Digitale und analoge Signalverarbeitung im Basisband in Silizium-Technologie
• Die Schnittstelle zur digitalen Welt rückt näher an die AntenneàDigital Radio
• Trend zu Systemen mit nur einer Zwischenfrequenzà Spart Kosten für Komponenten
• Steigende Anforderungen bezüglichØ LinearitätØ RauschenØ AusgangsleistungØ Wirkungsgrad
• Qualitativ hochwertige GaN-Komponenten für Ø Hochleistungs-Mikrowellenverstärker (HPA)Ø SchalterØ Rauscharme Verstärker (LNA), Mischer
Analoge Empfänger- und Sendebausteine in digitaler Umgebung
Erhöhte Anforderungen an Funktionalität und Qualität
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
Vorteile von GaN-HFETs in Mikrowellenverstärkern
Konventionelle-Technologie GaN-Technologie
T T
T T
T T
T T
T
T T
T
T Tinput input outputoutput
• Höhere mögliche Betriebsspannungen führen zu- Höheren Leistungsdichten pro Powerzelle- Höheres Impedanzniveau- Geringeren Aufwand für Transformations- und Powercombiner-
Netzwerke• Weniger komplexe Schaltungsdesigns
- Kleinere Chipflächen- Höhere Zuverlässigkeit
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
III-Nitrid-Heterostrukturen für Mikrowellen-Leistungstransistoren
• Bandgap-EngineeringØ Realisierung von HFETs
• Spontane und piezoelektrische Polarisation
• Vorteile:Ø Reduzierte Coulomb-
Streuung im 2DEGØ Höhere
ElektronengeschwindigkeitØ Höhere DurchbruchspannungØ Hohe Ladungsträgerdichten
im Kanal
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
Funktionsweise des High Electron Mobility Transistors (HEMT)
AlGaAs GaAs
spacer
Beispiel GaAs/AlGaAs HEMT:• Elektronen aus AlGaAs driften an
GaAs/AlGaAs Grenzschicht• Ausbildung eines 2-DEG• Hohe Elektronenbeweglichkeit
entlang der Grenzschicht da wenig Störung durch Dotieratome
• 2-DEG Konzentration steuerbar durch Gate-Raumladungszone
Besonderheit GaN/AlGaN HEMT:
• 2-DEG-Konzentration durch zusätzliche Parameter einstellbar:ØSpontane PolarisationØPiezoelektrische Polarisation
Source DrainGate
AlGaAs
GaAs 2-DEG
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Entstehung der spontanen Polarisation
Ionencharakter derGa-N-Bindung
Abweichung vomIdealen c/a Verhältnis
SpontanePolarisation+
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c/a-Verhältnis und spontane Polarisation
• c/a-Verhältnis stets kleiner als im Idealfall• Spontane Polarisation steigt in Reihenfolge GaN, InN, AlGaN • Technisch relevant: Unterschied GaN und AlGaN
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Spontane und piezoelektrische Polarisation in AlGaN/GaN HFET-Strukturen
Saphir
GaN
AlGaN
GaN
r+
r+
[0001]
Al
Ga
N
O
P SP
P PEP SP
P SP
-+
Ga
Al
N
O
P SP
PPEP SP
P SP
-+
ECEF
ECEF
2DEG
2DEG
[0001]
Ga-face Polarität N-face Polarität
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
AlGaN/GaN HFET Bauelementstruktur
Epitaxie: Institut für angewandte Festkörperphysik (IAF), Freiburg
• Beweglichkeit 1000 – 1500 cm²/V (300K)6000 – 8000 cm²/V (77K)
• 2DEG-Konzentration:0.8 – 1x1013 cm-2
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AlGaN/GaN HEMT Technology (1)
Pre-treatments:
RIE (BCl3 : Ar)
HCl:H2O = 1:1, 30 s
Metallizations:
Ti/Al/Ti/Au
Ti/Al/Ti/Au/WSiN/Au
Contact annealing: RTA: 850°C, 30s
Mesa-etching, RIE (BCl3 : Ar)
He+ ion-implantation
)
5
5
)
5
5
)
)
)
Ohmic contact
Device isolation
S D
S D
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
Ohmic Contact with WSiNx Cap Layer
500 nm
WSiNxTi/Al/Ti/Au
AlGaN/GaN HFET structure
Gate
GateSource
Encapsulated contact structure:
Metallization: Ti/Al/Ti/Au + WSiNx cap
Schematic cross section of HFETSource / Gate region; SEM micrograph
• Excellent morphology and contact edge definition
• Contact Resistance Rc = 0.5 ... 1 Ωmm
• Stable up to 500 °C
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AlGaN/GaN HEMT Technology (2)
Gate contact Optical lithography
Pre treatment: HCl : H2O, 1 : 1, 30 s
Metallizations:
Pt/Ti/Au (Standard)
WSiN/Au
Ir/Au
PECVD SiNx deposition
Ti/Au pad metallization
)
)
)
5
5
5
)
)
SG
D
Passivation, Pad-metallization
S G D
For high temperature devices)
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
Luftbrückentechnologie: Definition der Pfeiler
Lacktechnik für Pfeilerstruktur(zentriert über kompletten Emitterfinger)
Rundschmelzen des Lacks zur Erzeugung von Bogenstrukturen
20 µm FBH
20 µm FBH
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Luftbrückentechnologie
Ti-Au-Ti-Platierbasis 2. Lackebene zur Definition der Brückenstukturen, Auffüllen mit zyanidischer Au-Galvanik
Abbau der oberen Lackstrukturen, Ätzen der Platierbasis, Entfernen der ersten Lackschicht
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Technologie der Leistungszellen
Leistungszelle mit gemeinsamer Source-Struktur (über Luftbrücken verbunden)0,5 µm Gate Technologie (Stepper)
WSiNx-Diffusionsbarriere verkapselt inneren Kontakt
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2“-Leistungszellenprozess
12-Finger-Leistungszelle: Paralleldesgin
Prozessierter 2“-Wafer mit GaN/AlGaNHFET Strukturen,Belichtungsfeldgröße: 9x9.6 mm²
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Ausgangskennlinienfeld
• Transistor Abmessungen:- Gatelänge: 0.5 µm- Gateweite: 80 µm
• Idss_max: 700 mA/mm• gm: 230 mS/mm
Ø Geringer Hystereseeffekt
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Transfer-Charakteristik
• Transistor Abmessungen:
- Gatelänge: 0.5 µm- Gateweite: 80 µm
• Idss_max: 700 mA/mm
• Pinch-off bei -3.9 V
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Homogenität der DC-Parameter über 2“
Ø Homogenität über 2“ besser als 2%
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Vergleich passivierte / nicht passivierte HFETs
• Hysterese bei passivierten Transistoren stark reduziert
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600 UGS ,start = +1 V,
UGS = +1 V
DUGS = -0.5 V UGS ,start = -2 V, DUGS = +0.5 V
I DS /
mA
/mm
UD S / V0 2 4 6 8 10
0
100
200
300
400
500
600 UGS ,start = +1 V, DUGS = -0.5 V UGS ,start = -2 V, DUGS = +0.5 V
I DS /
mA
/mm
UDS / V
UGS = +1 V
Vor Passivierung Nach Passivierung
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HRXRD-Untersuchungen
• Zunahme der Verspannung in Richtung der c-Achse bei dickerer SiNx-Schicht
• Änderung der spontanen und piezoelektrischen Polarisation
• Höhere polarisationsinduzierte Schichtladung am AlGaN/GaN-Interface
• Höhere Ladungsträgerkonzentration im 2DEG
• Höherer Drainstrom
• Art der Passivierung beeinflusst elektronische Eigenschaften des Bauelements
33.5 34.0 34.5 35.0 35.5 36.010-1
100
101
102
103
104
105
unpassiviert 100 nm SiN x
Inte
nsit
ät (c
ps)
2 Theta (deg)
-0.004-0.0020∆c0 / A°
100500dSiNx/nm
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Modell zur Beschreibung der höheren 2DEG-Konzentration nach Passivierung
[0001]
A lG aN
G aN
A l O2 3
S iN x
P S P
P S P P P EA lG aN
G aN
A l O2 3
P S P
P S P P P E
r+r+
Verspannungtens ile
Vor Passivierung Nach Passivierung
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Hochfrequenzeigenschaften
Ø 20 dB/octave roll-off von |h21|2 und MUG
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Homogenität der Mikrowelleneigenschaften
• Variation von fTund fmax fällt mit gm-Variation zusammen
-20 -10 0 10 200
10
20
30
40
50
60
70
fmax
x-direction f
max y-direction
ft x-direction
ft y-direction
Fre
qu
ency
(G
Hz)
Radius (mm)
y
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Skalierung der Transitfrequenzen
• Reduktion von fT und fmax durch zunehmende Dominanz parasitärer Größen und durch Phasen-Mismatch
0 100 200 300 400 500 600 7000
10
20
30
40
50
60
VGS
= -2V , VDS
= 12V
f max
ft
Fre
qu
ency
(G
Hz)
Gate Width (µm)
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Skalierung des Sättigungsstroms
• Deutliche Reduktion des Stroms aufgrund thermischer Effekte
• Besonders ausgeprägt bei großen Strukturen
Ø Hochleistungs-HFETs erfordern optimiertes thermisches Design
10 100 1000400
500
600
700
800
900
Nor
mal
ized
Sat
urat
ed
Dra
in C
urre
nt (
mA
/mm
)
Gate Width (µm)
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Kleinsignal-Ersatzschaltbild
In ternal FET
G
S S
DR G
R DSU ´G S g m
t
R I
LG
C PG C PD
R D
R S
L S
L D
C G S
C G D R G D
C DS
• Standard Kleinsignal-Ersatzschaltbild beschreibt AlGaN/GaN HFETs
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Kleinsignal Parameterextraktion und Modellierung
S11
S22
S21
S12
MessungModellierung entsprechend dem Kleinsignalersatzschaltbild
Ø Gute Übereinstimmung zwischen Modell und Messung
Ø Standard-Extraktionsmethoden beschreiben GaN/AlGaN-HFET Kleinsignalverhalten
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Alterungstests bei 500°C
0 30 60 90 120100
200
300
400
500
RC
FB
gm,max
IDS,max
g m,m
ax,e
xtr, m
S/m
m
I DS, m
A/m
m
aging time, h
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
RC , W
mm
, FB / eV
• Stabile Eigenschaften nach Temperaturlagerung bei 500°C
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Funktionsweise von HBTs
×
×
kT
E
vP
vN v
pB
nE
E
B
expEmitter Basis Kollektor
EV
ECEF
∆EV
∆EC
EV
ECEF
Elektronen-Injektionsstrom
Löcher-Injektionsstrom
Thermisches Gleichgewicht
Standard Betriebsbedingung
Beziehung von Kroemer
Nobelpreis in Physik 2000
Hochdotierte Basis bei gleichzeitig hoher Stromverstärkung ermöglicht:• Reduktion des Basis-
Bahnwiderstands• Dadurch deutliche Verringerung von
parasitären Impedanzen • Deutlich verbessertes
Hochfrequenzverhalten
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HBT-Leistungstransistoren auf GaN-Basis
K K
EBB
EEE
B BB
Kollektor
• Kombination der bekannten Vorteile von HBTs mit GaN-spezifischen neuen Eigenschaften wie:
- Betrieb bei hohen Spannungen- Hohe Ausgangsleistungen
- Hohes Impedanzniveau
• Besondere technologische Herausforderungen:
- p-Dotierung der Basis problematisch da nur tiefe Akzeptorniveaus verfügbarØHohe Basisbahnwiderstände
- Keine selektiven Ätzverfahren zur Basiskontaktierung
- Selektive Epitaxie der Emitterschichten
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GaN/AlGaN-HBTs: Schichtaufbau
Shelton etal: IEEE Trans Electr. Dev. 2001, 48(3) 416
Basis
Kollektor
Emitter:In 2. Epitaxieschrittüberwachsen
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GaN-AlGaN HBTs: Eigenschaften
• Stromverstärkung: 12 bei RT, steigt mit abnehmender Temperatur
• Hohe Offsetspannung durch hohen Basisbahnwiderstand
• Für HF-Leistungsverstärkung noch nicht geeignet
Verbesserungspotenziale:• Optimierung der
p+-Basisdotierung
• Reduktion von Rekombinationseffekten an BE-Interface
J.J. Huang etal: IEEE Electr. Dev. Lett, 22(4), 2001
FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik
Zusammenfassung und AusblickGaN/AlGaN-HEMTs
GaN/AlGaN-HBTs
Künftige Entwicklungen
• Hohe 2DEG Konzentration bei gleichzeitig hoher Beweglichkeit
• 2DEG Konzentration durch Dotierung der Spenderschicht und durch spontane Polarisation einstellbar
• Technologie an der Schwelle zur industriellen Fertigung
• Rekordwerte: 50 Watt gepulst @ 6 GHz, 21 W CW @ 9 GHz, 5 W/mm auf Saphir, etwa 10 W/mm auf SiC
• Technologie am Anfang• Probleme der geringen p-Aktivierung noch nicht
gelöst
• Optimierung des thermischen Designs• GaN auf Silizium• Kommerziell verfügbare GaN HF-Leistungsmodule