GaAs-MESFET-, HEMT- und HBT-Wettbewerb mit fortschrittlichen Si-HF-Technologien

TECHNOLOGIEN

Die konkurrierenden Technologien auf dem HF-Markt werden kurz beschrieben. Die angegebenen Kennzahlen orientieren sich an Produktionsabläufen und sind keine in der Technik prinzipiell umsetzbaren Erfassungen.

Der MESFET (Abb. 2a) ist immer noch das Arbeitspferd der GaAs-Technologie. Es basiert hauptsächlich auf der Ionenimplantation in halbisolierende Substrate. Dies ist hinsichtlich der Rohstoffkosten das kostengünstigste Verfahren, da keine Epitaxieschichten erforderlich sind. Die auf dem Markt verfügbaren Technologien werden mit Gatelängen von 0,8 μm bis 0,25 μm verarbeitet. F_TAbhängig von der verwendeten Gate-Länge sind in der Produktion Werte im Bereich von 25 GHz verfügbar. FETs können im Frequenzbereich von 1–2 GHz problemlos Rauschwerte unter 1 dB erreichen. Die Leistungsleistung reicht bis in die 10W-Klasse im X-Band-Bereich für Phased-Array-Radaranwendungen. Bei den meisten Bauteilen handelt es sich um Geräte im Verarmungsmodus, die zur Steuerung des Gates negative Spannungen benötigen. Der Erweiterungsmodus mit flachem Kanal benötigt nur eine Versorgung mit einer Polarität.

Die HEMT-Technologie (Abb. 2b) ähnelt im Prinzip der MESFET-Struktur. In diesem Fall bilden epitaktische Wafer die aktiven Schichten. Sie beinhalten einfache oder doppelte Heterostrukturübergänge, die für die hohe Elektronenmobilität im 2-DEG sorgen. Das EPI wird größtenteils von MBE gezüchtet, aber in einigen Fabriken wird auch MOCVD verwendet. Dieser EPI-Waferbedarf erhöht die Substratkosten erheblich. Für f ist eine Gate-Länge von bis zu 0,12 μm erforderlich_Tbis zu 100 GHz. Für Anwendungen im Mobilfunkmarkt wird die Gatelänge teilweise auf 0,5μm vergrößert. Dies vereinfacht die Technologie und optimiert den Ertrag, aber f_Tist bis 30-40GHz noch bei weitem ausreichend für den 1-2 GHz-Bereich. Der HEMT bietet die niedrigste Rauschzahl der HF-Technologien zusammen mit einer hohen Verstärkungsleistung. Diese hohe Verstärkung ist aufgrund des starken Schwingungspotentials teilweise von Nachteil für problemlose Volumenanwendungen im Niederfrequenzbereich.

Der HBT (Abb. 2c) ist ein modifizierter Bipolartransistor. Die Emitter- und Basisschichten werden aus unterschiedlichem Bandlückenmaterial gebildet. Der Emitter hat die größere Bandlücke und bildet somit eine Barriere gegen die Löcherinjektion in die Basis. Auf diese Weise werden die Hauptmängel eines standardmäßigen Homojunction-Bipolartransistors überwunden. Aufgrund der erforderlichen EPI-Schicht kommt in diesem Fall meist MOCVD zum Einsatz, es kommt aber auch MBE zum Einsatz, die Rohstoffkosten sind im Vergleich zu MESFET höher. Der HBT kann als Bipolartransistor mit einer einzigen Versorgung betrieben werden. Die minimale Strukturgröße für GaAs-basierte HBTs liegt bei etwa 2 μm Emitterbreite und ist daher auf MESFET- und HEMT-Technologien beschränkt. F_Tin der Produktion wird ein Frequenzbereich von 30-60 GHz erreicht. Der HBT liefert aufgrund seines vertikalen Stromflusses eine hervorragende HF-Leistungsdichte. Dies ist jedoch auf das schlechte thermische Verhalten des GaAs-Substrats zurückzuführen und erfordert einen hohen Aufwand. Das sehr gute Phasenrauschen, das vom herkömmlichen Si-Bipolar bekannt ist, macht den GaAs-HBT zu einem hervorragenden Gerät für Oszillatoranwendungen.

Die fortschrittlichen Silizium-Bipolarprozesse (Abb. 2d) mit dem f_Tbis 25GHz werden auf ausgefeilten Hochleistungs-IC-Technologielinien verarbeitet. In diese hochentwickelten Geräte sind Standardstrukturgrößen von 0,4 μm Emitterbreite in der selbstausrichtenden Doppel-Poly-Technik, Seitenwand-Abstandshaltertechnik, vergrabene Schichten und selektiv implantierter Kollektor eingebaut. Noch fortschrittlichere Technologien mit noch kleineren Emitterbreiten sind mit f verfügbar_Tbis zu 45 GHz (B6HFE). Einer der größten Vorteile der Si-Prozesse ist die Möglichkeit, die hohe Integrationsfähigkeit von Si zu nutzen. Nicht nur in hochintegrierten rein bipolaren Schaltkreisen, sondern auch in Kombination mit CMOS-Technologie (BiCMOS Abb. 2f).

Der SiGe-HBT (Abb. 2e) ist eine weitere Verbesserung des Si-Advanced-Bipolar-Prozesses. Die Basisschicht wird durch eine Hetero-SiGe-Schicht ersetzt. Beim B7HF-Prozess beträgt die minimale Strukturgröße 0,25 μm und die AlSiCu-Metallisierungen werden durch 4-lagige Kupfermetallisierungen ersetzt. Der Prozess hat eine f_Tvon 75 GHz und ist vollständig kompatibel zum Standard-CMOS. Die anderen Prozesse für geräuscharme Anwendungen zeigen f_Tin der Produktion von 60 bis 70GHz. Um auch Leistungsanwendungen bedienen zu können, sind höhere Durchbruchspannungen erforderlich. Die Basisschichten müssen zusammen mit den minimalen Strukturgrößen vergrößert werden. Dadurch werden die Leistungen drastisch reduziert; zB die f_Tgeht auf etwa 30 GHz zurück. Der allgemeine bipolare Vorteil des geringen Phasenrauschens gilt auch für den SiGe-HBT.

LEISTUNGSVERGLEICH

Die Leistungen der Technologien werden in Tabelle 1 verglichen. Hier werden die Schwächen und Stärken der Techniken dargestellt. Die potenziellen Märkte für die Technologien sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Die für die meisten Anwendungen im Frequenzbereich unter 2 GHz erforderlichen rauscharmen Leistungen können sowohl von GaAs als auch von Si erreicht werden. Ein Großteil der rauscharmen Empfängeranwendungen wird durch die Si-Technologien abgedeckt. Sie werden aufgrund der Integrationsfähigkeit auch weitere Funktionen umfassen. Spezielle Anwendungen wie Superlinearmischer mit hohem IP3-Eingang bleiben jedoch weiterhin die Domäne von GaAs-Geräten. Leistungsanwendungen mit einer linearen Leistung von 1 W oder einer komprimierten Leistung >2 W werden die Domäne von GaAs sein. Dabei handelt es sich jedoch nicht nur um die Domäne eines einzelnen Prozesses, sondern alle drei Technologien werden auf dem Markt sein. Es wird weitere Kriterien geben, die zwischen den Technologien entscheiden werden, wie zum Beispiel: genaue Anpassung der Geräteleistung DC und RF, Leerlaufstrompegel für lineare Systeme, Gesamtzahl externer Geräte, Gehäusegröße, negative Spannungserzeugung auf oder außerhalb des Chips und nicht zuletzt die Gesamtzahl Funktionskosten auf der Leiterplatte.

Der Niederspannungstrend in der Mobilkommunikation bis hin zu 1-Batteriezellen-Mobiltelefonen könnte aufgrund der höheren Verstärkung und besseren PAE derzeit die HEMT-Technologie begünstigen. Aber auch spezielle Implantationsschemata für den MESFET (DIOM-LVM-Prozess) werden dieser kostengünstigsten Technologie hier einen Markt verschaffen.

Die Si-Techniken haben für Energieanwendungen einen klaren Nachteil. Die auf dem Markt erhältlichen Geräte erzeugen die Leistungsstufen auf größeren Chipgrößen und damit auch auf großen Gehäusen. Bei 0,5-W-DECT-, IS900-MHz- oder IS2,4-GHz-Anwendungen besteht die stärkste Konkurrenz zwischen GaAs und Si. Hier wurden die früheren Si-Geräte in großen Gehäusen wie SSOP28 geliefert, aber jetzt sind mit reduzierten Chipgrößen auch Geräte im TSSOP10-Gehäuse erhältlich. Die konkurrierenden GaAs-MESFET liefern dies in einem SOT23-Gehäuse (CGY195, CGY196). Die 2W GSM GaAs MESFET PAs werden auch in einem SCT595-Gehäuse geliefert (Faktor 4 kleiner im Vergleich zu TSSOP16).

Aber am Ende muss der Kunde entscheiden, was in seine Anwendungen passt.

Bei Leistungsanwendungen im höheren Frequenzbereich wie den militärischen S-, C- und X-Band-Phased-Array-Radargeräten werden der MESFET und der HEMT konkurrieren. Bei Frequenzen im MMW-Bereich für Kurzstreckenfunk-, SATCOM- und Auto-Entfernungsradaranwendungen wird der HEMT mit den Breitband-MMICs, z. B. LNA, Treiber sowie PA und VCOs, eindeutig dominieren.

Als Merkmal des Si-Substratmaterials ist es eine allgemeine Stärke der GaAs-Technologien, HF-Funktionen in die MMICs in konzentrierten Elementen, Streifenleitung oder koplanarem Design zu integrieren. Damit sind sie die Hauptquelle für integrierte Multifunktions-HF-Geräte im Mikrowellenbereich. Die Si-Technologien haben den Vorteil der Integration analoger bipolarer Funktionen mit der VLSI-CMOS-Welt. Dies bietet die Möglichkeit, D/A-Wandler und Mixed-Signal-Anwendungen zu integrieren.

SI VS GAAS UND HETERO-GERÄTE

Im Allgemeinen wird sich die heute sichtbare Situation nicht ändern, da etwa 15 bis 20 % aller HF-Anwendungen von GaAs abgedeckt werden. Soweit Anwendungen von drahtlosen Systemen bis 3,5 GHz dominiert werden, ist keine grundsätzliche Änderung zu erwarten; d.h. Mobilfunk- und Schnurlostelefone, WLAN, WLL, GPS etc.

Vereinfacht gesagt dominiert Si den Empfängermarkt bis 2 GHz, während GaAs aufgrund der besseren PAE bei niedrigen Versorgungsspannungen das bevorzugte Material für PAs über 0,5 W Leistung ist.

Aus Kostensicht sind die Prozesskosten eines 4-Zoll-GaAs-MESFET-Wafers mit denen eines 6-Zoll-Si-Bipolarwafers vergleichbar. Dies wird durch die bessere Integrationsfähigkeit von GaAs teilweise kompensiert, dh die Chip-Kosten sollten statt der Flächenkosten berücksichtigt werden. Schließlich sollte der Benutzer wissen, dass der Chip normalerweise nur etwa ein Drittel der Gesamtkosten des Geräts ausmacht und dass kleinere Chips zu niedrigeren Montagekosten führen können.

Eine weitere Diskussion betrifft das Anwendungs- und Substitutionspotenzial der neuen Heterobauelemente in GaAs und Si. Dies lässt sich wie folgt zusammenfassen:

–SiGe wird nur zu geringfügigen Verbesserungen gegenüber den bekannten Mobilfunk- und Schnurlostelefonsystemen führen, dh aufgrund höherer Kosten keinen Ersatz für Si-Bipolarschaltungen darstellen. Eine zentrale Frage ist, ob die materiellen Vorteile die Realisierung von 1-Chip-UMTS-Transceivern rechtfertigen. Darüber hinaus liegt das Hauptpotenzial bei Empfängern mit höheren Frequenzen (2–20 GHz).

–GaAs HEMT-Technologie ist das beste MMW-Material bis 100 GHz. Es kombiniert die Vorteile unipolarer Transistoren mit hervorragender Leistung bis hin zu einer Versorgungsspannung von 1,5 V, jedoch mit um den Faktor 2 höheren Waferkosten im Vergleich zu GaAs-MESFET.

–Der GaAs-HBT-Prozess ist ein Kandidat für eine einzelne Versorgungsspannung. Nachteile von GaAs MESFET und HEMT sind ein geringeres Schrumpfpotenzial aufgrund thermischer Probleme, eine geringere Linearität von Bipolartransistoren und Kosten im Vergleich zu HEMT.

Abb. 1 RF-Technologie-Roadmap

Abb. 2. Innovative HF-Technologien:

a)GaAs MESFET, b) GaAs HEMT, c) GaAs HBT, d) Advanced Si-Bipolar (B6HF),

1. e) SiGe HBT (B7HF), e) BiCMOS (B6HFC)

Tabelle 1: Leistungsvergleich, Schwächen und Stärken ++ am besten, + gut, o mäßig

Tabelle 2: Umfrage zu GaAs-Anwendungen

Quelle: Siemens

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