Millimeter-Frequenzen Funkmodul bis 60 GHz auf Basis von Galliumnitrid

Von Erdin Ture und Fouad Benkhelifa*

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Fraunhofer-Forscher haben auf Basis der GaN-Technologie ein energieeffizientes Funkmodul für Millimeter-Frequenzen bis 60 GHz entwickelt. Dabei sollen die HF-Verluste gering bleiben.

Energieeffiziente Funkmodule: Das Chiplayout des prozessierten MMIC-GaN-Verstärkers vom Fraunhofer IAF für Millimeterwellen bis 60 GHz.
Energieeffiziente Funkmodule: Das Chiplayout des prozessierten MMIC-GaN-Verstärkers vom Fraunhofer IAF für Millimeterwellen bis 60 GHz.
(Bild: Fraunhofer IAF )

In dem von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderten Leitprojekt „Towards Zero Power Electronics“ haben Experten entscheidende Komponenten für eine robuste und energieeffiziente Kommunikation erforscht. Mit mehr Digitalisierung in Industrie, Mobilität, Energie und den damit verbundenen Internet der Dinge (IoT) wächst der Anspruch an Elektronik besonders auf eine umweltgerechte Umsetzung. Der Fokus liegt vor allem auf dem Leistungsbedarf der elektronischen und elektrischen Geräten und wie sie energieeffizient vernetzt sind.

Funkmodul auf Basis von Galliumnitrid

Jetzt haben Forscher des Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg ein Funkmodul entwickelt, das sich durch geringen Leistungsverlust bei gleichzeitig hoher Effizienz bei Frequenzen bis 60 GHz auszeichnet. Das Modul setzt auf die am Fraunhofer IAF entwickelte GaN-Technologie. Sie ist Basis für eine monolithisch-integrierte Mikrowellen-Schaltung (Monolithic Microwave Integrated Circuit = MMIC), welche in hochintegrierten Funk-Frontends verwendet wird.

Zentrales Bestandteil des Technologiedemonstrators ist das Funkmodul mit 60 GHz. Entstanden ist es am Fraunhofer IAF und ist in den statischen IoT-Knoten integriert. Damit lassen sich Daten mit sehr hohen Datenraten übertragen. Das Funkmodul enthält einen effizienten GaN-auf-Si-MMIC, der sich durch das kostengünstige Trägersubstrat für kommerzielle Anwendungen eignet.

Ziel der Entwickler war es, die HF-Verluste bei 60 GHz so gering wie möglich zu halten. Dazu hat man auf der Materialseite neuartige Silizium-Substrate der Kristall-Orientierung (111) bewertet, was ein verbessertes epitaktische Wachstum von GaN-Schichten ermöglicht.

Mit der GaN-Technologie Leistungsverluste senken

Auf den anschließend ausgewählten Substraten verschiedener Hersteller wuchsen AlGaN/GaN-Heterostrukturen als Metall-Organische-Chemical-Vapour-Deposition (MOCVD). Die sogenannten Epitaxieschichten haben die Entwickler auf ihre HF-Verluste bewertet. Dabei hat man das Ziel verfolgt, Leitungsverluste kleiner als 1 dB/mm bei 60 GHz zu erreichen. Das ist vergleichbar mit GaN auf SiC.

Auf dieser Basis wurde daraus eine Untermenge für einen Prozessrun ausgewählt. Parallel dazu haben die Entwickler integrierte Schaltungen (ICs) für einen Teilmaskensatz entworfen, die in den Demonstrator-Modulen zum Einsatz kommen. Außerdem entstand ein Modulkonzept, um 60-GHz-Links auf der Basis der neuen Schaltungen und IAF-interner Modultechnik zu demonstrieren.

Dazu hat man die Schnittstelle zum IoT-Knoten definiert und ein Konzept für die Energieversorgung des IC, ein Konzept für die Signalerzeugung bei 60 GHz und eine Steuerung der Datenübergabe erarbeitet.

Weniger Leistungsaufnahme des Funkmoduls

Innerhalb des Projekts hat man parallel zum Funkmodul die technischen Voraussetzungen geschaffen, um die PAE (Power Added Efficiency) über den Startwert von 10 Prozent auf Schaltungsebene zu erhöhen. Ein Ansatz war es, die Gatelänge von 100 auf 50 nm zu skalieren und damit die Leistungsaufnahme zu senken und alternativ die Epitaxie zu verbessern. Damit wollten die Entwickler eine Effizienz von 30 Prozent bei Frequenzen um 60 GHz mit einer gesättigten Ausgangsleistung von 20 dBm (100 mW) als linearer Verstärker bei einer Bandbreite von 7 GHz erreichen.

Grundlage bildeten die Ergebnisse der GaN-Module des Fraunhofer IAF zusammen mit einer neuen Technologievariante mit einer Gatelänge von 100 nm und weitere GaN-MMICs. Der Schwerpunkt der Arbeit für mehr Effizienz mit einer Gatelänge von 100 nm für Anwendungen bei 60 GHz lag darin, einer geeignete Epitaxie-Schichtenfolge mit einer AlGaN-Barriere und der passenden Lithographie zu entwickeln.

Bei dieser Technologievariante wurde die Dicke der Barriere gesenkt, um die Kurzkanaleffekte zu vermindern. Abschließend haben die Ingenieure GaN-MMICs in der neuen Technologievariante prozessiert. Das Bild oben zeigt den GaN-MMIC, der für die Technologieergebnisse aus dem letzten Technologierun mit AlGaN-Barriere messtechnisch betrachtet wurde.

Verbesserte Qualität der GaN-auf-Si-Epitaxie

Im Rahmen des Projekts haben die Entwickler sowohl die Epitaxiequalität der auf Si-Substrat gewachsenen GaN-basierten Epistruktur bessert, als auch die Technik,um die Bauelemente herzustellen. Dabei wurde ein GaN/AlGaN-HEMT-Aufbauschicht auf einem 4-Zoll-Czochralski (CZ)-Si-Substrat mit hohem spezifischem Widerstand von 6 bis 10 kOhm-cm mittels MOCVD hergestellt.

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Dank des optimierten Epitaxieprozesses und ausgehend von vorhandenem Fachwissen wurde zunächst die Pufferschicht der Epi-Struktur optimiert. Damit hat man eine geringe Wafer-Biegung erreicht, die mit der Dicke zunimmt.

Ebenfalls erhielt man eine geringe Dichte von Puffer Traps, um eine hohe Durchbruchspannung und einen geringen Strom-Collapse zu erreichen. Eine Multilayer-Pufferstruktur senkt die Zugspannung, die durch den großen Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen GaN-Puffer und Si-Substrat verursacht wird.

Schließlich wurde die Schnittstelle zwischen dem Si-Substrat und der GaN-Puffer-Aufbauschicht für geringe HF-Verluste optimiert. Mit der entwickelten HEMT-Heterostruktur lassen sich die angestrebten HF-Leistungen erreichen.

Eine optimierte GaN/AlGaN-Heterostruktur

Bild 2: Schematischer Aufbau der AlGaN/GaN-Epilayer auf einem hochohmigen 4-Zoll-Si(111-)Substrat.
Bild 2: Schematischer Aufbau der AlGaN/GaN-Epilayer auf einem hochohmigen 4-Zoll-Si(111-)Substrat.
(Bild: Fraunhofer IAF )

Für die entwickelten Einzeltransistoren und MMICs sowie für den Demonstrator ist eine optimierte GaN/AlGaN-Heterostruktur mittels MOCVD rissfrei und glatt notwendig. Die Waferkrümmung darf nicht größer als ±50 μm sein. Die HEMT-Heterostruktur zeigt Bild 2. Sie besteht aus einer dicken Al(Ga)N-Pufferschicht, gefolgt von einer GaN-Kanalschicht und einer Al0,32Ga0,72N-Schottky-Barrierenschicht. Abschließend wurde der Aufbauschicht mit einer GaN-Deckschicht abgedeckt.

Dabei kam keine AlN-Schicht zum Einsatz, um die Leistung der Epi-Struktur in Bezug auf die Ladungsträgerdichte und die Elektronenbeweglichkeit zu verbessern. Das hätte zu einer Si-Implantation oder einem Si-dotierten GaN-Aufwuchs für die ohmschen Bereiche geführt. Dank der Gate-Länge und die AlGaN-Sperrschichtdicke lassen sich Kurzkanaleffekte vermeiden und gleichzeitig verbessert sich die statische Leistung sowie die Mikrowellenleistung des Transistors.

Die Bauelemente prozessieren

Die Prozessierung des Bauelements begann mit der Herstellung der ohmschen Kontakte; die Ti/Al/Ni/Au-Metallschicht wurde durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden. Der Epi-Wafer wurde bei 830 °C in einer N2-Atmosphäre mit einer schnellen thermischen Aufwärmung legiert. Der aus Messungen an TLM-Strukturen ermittelte ohmsche Kontaktwiderstand betrug im Durchschnitt 0,3 Ohm-mm. Die Bauelement-zu-Bauelement-Isolierung wurde anschließend durch implantierte Ar+-Ionen erreicht.

Das T-förmige Gate (LG = 100 nm) wurde mit Elektronenstrahllithographie und zusammen mit spezifischen dreilagigen Resistenzen definiert. Die Gate-Elektrode wurde dabei mit einer Ni/Au-Metallisierung gebildet, gefolgt von einer ersten SiNx-Schichtpassivierung. Ein Metallfilm Ti/Pt/Au wurde als Pad für die erste Verbindung abgeschieden. Anschließend vervollständigten die passiven Standardkomponenten wie Metall-Isolator-Metall- (MIM-)Kondensatoren, Induktivitäten, Dünnfilmwiderstände und die galvanische Metallisierung der Vorderseite die Herstellung der MMICs.

30 Prozent Leistungseffizienz bei einer Frequenz von 60 GHz

Bild 3: Ergebnisse der Streuparameter von 40 bis 80 GHz des GaN-MMICs bei einer Betriebsspannung von VDS = 5 V.
Bild 3: Ergebnisse der Streuparameter von 40 bis 80 GHz des GaN-MMICs bei einer Betriebsspannung von VDS = 5 V.
(Bild: Fraunhofer IAF )

Mit einer optimierten GaN-Epitaxie stieg die Effizienz gegenüber dem Startwert von 10 Prozent signifikant. Eine Rekordeffizienz (PAE) von 30 Prozent mit einer assoziierten Ausgangsleistung von 100 mW (20 dBm) ließ sich messtechnisch nachweisen.

Die Performance-Ziele des Projekts wurden erreicht und die gemessenen Projektergebnisse entsprechen dem neuesten Stand der Technik. Außerdem wurde ein Demonstrator für eine transparente Mobilfunkverbindung in Anbindung an die existierenden Verbindungen mit 2,4 GHz bei 60 GHz umgesetzt.

Bild 3 zeigt exemplarisch die Streuparameter bei einer Betriebsspannung VDS = 5 V, bei der eine Verstärkung >18 dB über das Zielband von 56 bis 63 GHz erreicht wurde. Analysiert haben die Entwickler die Großsignaleigenschaften, um bei Vollaussteuerung die Ausgangsleistung und Effizienzwerte des Verstärkers zu bestimmen.

Das Demonstratormodul in Hohlleiterumgebung

Bild 4: Gemessene Großsignalergebnisse des GaN-MMICs von 50 bis 70 GHz mit einer niedrigen Betriebsspannung von VDS = 4,25 V.
Bild 4: Gemessene Großsignalergebnisse des GaN-MMICs von 50 bis 70 GHz mit einer niedrigen Betriebsspannung von VDS = 4,25 V.
(Bild: Fraunhofer IAF )

Bild 4 zeigt die Großsignal-Messung am GaN MMIC bei 60 GHz für Frequenzen von 50 bis 70 GHz. Die PAE beträgt durchgehend mehr als 23 Prozent. Der Spitzenwert liegt bei 55 GHz und >30 Prozent.

Bild 5: Gemessene Großsignalergebnisse des GaN-MMICs von 50 bis 70 GHz bei einer Betriebsspannung von VDS = 5 V.
Bild 5: Gemessene Großsignalergebnisse des GaN-MMICs von 50 bis 70 GHz bei einer Betriebsspannung von VDS = 5 V.
(Bild: Fraunhofer IAF )

Die erreichte Ausgangsleistung beträgt 19 dBm und liegt wegen der für GaN geringen Betriebsspannung von 4,25 V somit noch unter dem Zielwert von 20 dBm. Die weiteren Ergebnisse zeigen denselben MMIC mit erhöhter Betriebsspannung. Bei höherer Betriebsspannung auf VDS = 5 V erreicht die PAE Werte von ungefähr 25 bis 29 Prozent, während die Ausgangsleistung auf >20 dBm oder 100 mW steigt (Bild 5).

Bild 6: Nahaufnahme der GaN-MMIC im Demonstratormodul (Eingang: links, Ausgang: rechts mit Übergang-Substrate auf Hohlleiterumgebung).
Bild 6: Nahaufnahme der GaN-MMIC im Demonstratormodul (Eingang: links, Ausgang: rechts mit Übergang-Substrate auf Hohlleiterumgebung).
(Bild: Fraunhofer IAF )

Im Sinne des finalen Projektziels konnte mit den Entwicklungen die angestrebte PAE mit Werten von 25 bis 30 Prozent im Zielband bei einer Ausgangsleistung von >19 dBm erreicht werden. Für die Zielleistung von 20 dBm beträgt der Wert gegenwärtig eine gemessene PAE von 25 bis 29 Prozent.

Das Bild 6 zeigt den GaN MMIC im fertigen Demonstratormodul in Hohlleiterumgebung.

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* Erdin Ture beschäftigt sich mit Transistoren auf Galliumnitrid-Basis. Fouad Benkhelifa arbeitet an GaN-basierten Prozessen. Beide forschen am Fraunhofer IAF in Freiburg.

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