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Capítulo 2 Tecnología de GaN
Capítulo 2: Estado del arte de la tecnología de GaN
2.1. Introducción
Con el reciente aumento del mercado de las comunicaciones inalámbricas, junto
con el continuo progreso de las aplicaciones militares tradicionales, los transistores
de microondas están jugando papeles críticos en muchos aspectos de las aplicaciones
actuales. Los requisitos para el funcionamiento de los transistores de microondas
están volviéndose cada vez más exigentes. En las aplicaciones de comunicaciones
móviles, la siguiente generación de teléfonos móviles requiere un mayor ancho de
banda y una eficiencia mejorada. El desarrollo de comunicaciones por satélite y de la
transmisión de TV requiere de amplificadores operando a frecuencias más altas (de la
banda C a la banda Ku, e incluso a la banda Ka) y mayores potencias para reducir el
tamaño de las antenas en el extremo del usuario. El mismo requisito permanece para
las conexiones de difusión wireless de internet, debido al continuo crecimiento de la
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Capítulo 2 Tecnología de GaN
tasa de transmisión. Debido a estas necesidades, ha habido un significativo esfuerzo
de investigación en el desarrollo de transistores de microondas y amplificadores de
alto rendimiento basados en Si/GeSi, GaAs, SiC y GaN [2.1].
Las necesidades de alta potencia y alta frecuencia requieren transistores
basados en materiales semiconductores con una alta tensión de ruptura y una alta
movilidad electrónica. Desde este punto de vista, materiales como GaN y SiC son
preferibles. Su gran energía de gap resulta en tensiones de ruptura mayores debido a
que es el campo de ruptura el campo que finalmente es necesario para una ionización
de impacto banda a banda. Además, ambos tienen una alta velocidad de saturación de
electrones, lo que permite su operación en alta frecuencia. La capacidad del GaN para
formar heterouniones lo hace superior al SiC, a pesar de tener campos de ruptura y
velocidades de saturación similares. El GaN se puede utilizar para fabricar
transistores de alta movilidad de electrones (HEMT, High Electron Mobility
Transistor) mientras que el SiC sólo se puede utilizar para fabricar transistores
MESFETs. Las ventajas de los transistores HEMTs es que tienen una alta
concentración de portadoras y una alta movilidad de electrones debido a su reducido
scattering por impurezas ionizadas. La combinación de estas dos ventajas resulta en
una alta densidad de corriente y en una baja resistencia del canal, que son
especialmente importantes para la operación a altas frecuencias y aplicaciones de
conmutación de potencia.
Desde el punto de vista de los amplificadores, los HEMTs basados en GaN
tiene muchas ventajas sobre otras tecnologías existentes [2.2]. La alta densidad lineal
de potencia a la salida permite la fabricación de dispositivos de mucho menor tamaño
con la misma potencia de salida. La alta impedancia debida a este menor tamaño
permite menores pérdidas por desadaptación de impedancias en los amplificadores.
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La operación a altas tensiones no sólo reduce la necesidad de conversión de
tensiones, sino que también provee el potencial para obtener una alta eficiencia, lo
que es crítico en los amplificadores. La alta energía de gap también permite operar a
altas temperaturas. Al mismo tiempo, los HEMT ofrecen mejor rendimiento frente al
ruido que los MESFETs.
Estas atractivas características en aplicaciones de amplificadores, derivadas de
las propiedades superiores del semiconductor, hacen del HEMT basado en GaN un
candidato muy prometedor para aplicaciones de microondas.
En este capítulo discutiremos los factores clave de la tecnología HEMT de GaN.
De esta manera en la segunda sección revisaremos el crecimiento de capas de
dispositivo de gran pureza mediante la deposición de vapor químico orgánico
metálico (MOCVD) y el crecimiento epitaxial de haz molecular (MBE). En la tercera
sección presentaremos tecnologías de procesado e ingeniería de dispositivo que están
siendo desarrolladas para alcanzar el estado del arte actual en la tecnología HEMT de
GaN. Los desafíos en la fiabilidad y la fabricación también serán discutidos. En la
cuarta sección, destacaremos algunos de los amplificadores híbridos HEMT de GaN
y circuitos MMIC que se han conseguido recientemente.
2.2. Crecimiento de capas epitaxial de GaN
Numerosos equipos han estado desarrollando las técnicas MOCVD y MBE para
el crecimiento del grupo III de nitruros como son el GaN, AlN, AlGaN, o el InGaN
[2.3]-[2.8]. En el proceso MOCVD, Ga, Al, e In son suministrados usando los
componentes orgánicos metálicos correspondientes. Estos componentes son
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posteriormente transportados por un gas portador, usualmente hidrógeno. De ese
modo, la concentración del componente en el gas portador es determinada por la
presión de su vapor. La fuente de nitrógeno más utilizada es el amoníaco (NH3). En la
técnica RF-MBE, átomos y moléculas de nitrógeno reactivos se producen pasando un
flujo de nitrógeno (gas N2) a través de una descarga de plasma. Una variante de este
proceso utiliza NH3 como fuente de gas nitrógeno [2.8]. Los flujos de crecimiento de
la columna III son dados por evaporación de fuentes elementales de gran pureza. Los
esfuerzos de crecimiento de ambas técnicas se han centrado en desarrollar estructuras
HEMT de AlGaN/GaN de microondas y ondas milimétricas de alta potencia. El SiC
se ha empleado intensivamente como sustrato debido a su excelente conductividad
térmica [2.9], mientras que el zafiro y el silicio se utilizan también a causa de su bajo
coste [2.10], [2.11]. El aislamiento del dispositivo de los sustratos de SiC y Si se
consigue mediante una capa de nucleación de AlN resistiva, en la que las condiciones
de crecimiento se ajustan para prevenir la difusión del silicio hacia fuera [2.12].
Una excelente calidad de material se ha conseguido para películas HEMT de
GaN. Las concentraciones de impureza en películas de GaN semi-aislantes están por
debajo del límite de detección cuando se caracterizan mediante SIMS. Se han
demostrado heteroestructuras de AlGaN/GaN, AlN/GaN [2.13], GaN/AlN/GaN [2.14]
y AlGaN/AlN/GaN [2.15] con transiciones suaves y abruptas, llevando a la formación
de 2DEGs con movilidades de electrones tan altas como 2000cm2/Vs a temperatura
ambiente [2.16]. Así, se consiguen rutinariamente irregularidades en la uniformidad
menores del 2% en sustratos de SiC de 10cm de diámetro (figura 2.1(a), mapa de
resistencia laminar de un DHEMT de GaN) [2.17].
Se ha demostrado un material de alta calidad mediante medidas de capacidad
tensión (C-V) por sonda de mercurio de estructuras HEMT de AlGaN/GaN crecidas
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en sustratos semi-aislantes de SiC. El perfil C-V muestra un pinch-off muy abrupto y
extremadamente bajo, una capacidad plana a una alta polarización inversa (igual a la
capacidad del sustrato de SiC), lo que indica lo insignificante del buffer y de la
carga/dopado del interfaz epi/SiC en el GaN (tal como se muestra en la figura 2.1(b),
a continuación) [2.18].
Fig. 2.1. a) Mapa de resistencia laminar. b) Perfil C-V para un HEMT de GaN crecido en sustrato de SiC de 10cm.
Ambas técnicas, MOCVD y MBE, son capaces de crecer capas finas. El uso de
una fina interfaz de AlN, ~1nm, entre la barrera AlGaN y el canal GaN, se ha
demostrado que reduce la resistencia laminar aumentando la movilidad y la densidad
laminar de la estructura HEMT [2.15]. El incremento en la movilidad se atribuye a la
reducción en el scattering de la aleación y el incremento en la carga laminar debido a
una mayor discontinuidad en la banda de conducción en la interfaz AlGaN/GaN. La
figura 2.2 es un espectro rayos X de un HEMT, 25nm Al0.26Ga0.74N / 1nm AlN / GaN,
crecido en un sustrato de SiC. La presencia de una fina capa de AlN aumenta la
intensidad de las oscilaciones Pendellosung. Estas oscilaciones son una medida de la
calidad de la heterointerfaz (dan una idea de lo plana o abrupta que es). La interfaz
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AlN redujo la resistencia laminar de 400 a 285Ω/□, y la movilidad se incrementó a
más de 2000cm2/Vs.
Fig. 2.2. Espectro de rayos X de un HEMT AlGaN/AlN/GaN en sustrato de SiC.
Utilizando las técnicas MOCVD y MBE, se han demostrado estructuras más
complejas similares a los pHEMTS de GaAs, tales como los pozos cuánticos o los
(DH)FETs de doble heterounión. Algunos de estos dispositivos operan hasta la banda
W. Los pozos cuánticos o las estrucuturas DH proporcionan un confinamiento de
electrones para mitigar efectos de canal corto asociados con longitudes de puerta más
pequeñas, además de un mejor aislamiento de sustrato, lo que conduce a dispositivos
de mayor ganancia y eficiencia mejorada. Capas buffer de AlGaN [2.19] y capas de
barrera trasera de InGaN [2.20]-[2.22], han sido utilizadas para crear
discontinuidades en la capa de conducción, que inhiben la inyección de electrones en
la capa buffer. Se han demostrado también posibles un mejor confinamiento de canal
y unas reducidas corrientes de fuga del buffer por dopados de Fe, Be, o C de la capa
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buffer de GaN [2.23]-[2.26]. Finalmente, se están añadiendo capas límite altamente
dopadas a la estructura epitaxial para reducir la resistencia de acceso al dispositivo, lo
que supone un aumento en la ganancia y la eficiencia del dispositivo [2.19], [2.27].
2.3. Diseño de dispositivos y tecnologías de procesado avanzados
Mientras varios dispositivos electrónicos han sido investigados (por ejemplo,
HBTs [2.28], MESFETs [2.29], MISFETs [2.30], HEMTs [2.31]), la mayor parte del
trabajo de investigación se ha centrado en los HEMTs, incluyendo HEMTs metal-
óxido-semiconductor (MOSHEMTs) [2.32], porque los HEMTs tienen mejores
propiedades de transporte de portadora que los MESFETs, y porque la dificultad del
dopado-p en el GaN impide el desarrollo de transistores bipolares. Un HEMT típico
de AlGaN/GaN lo mostramos en la figura 2.3.
Fig. 2.3. Esquemático de un HEMTS de AlGaN/GaN típico.
El efecto de dopado en la polarización de HEMTs de GaN sería predicho en
1993 [2.33]. La primera observación de un Gas Electrónico Bidimensional (2DEG)
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con una concentración de portadoras del orden de 1011cm-2 y una movilidad a
temperatura ambiente de 400-800cm2/Vs en una heterounión de AlGaN/GaN fue
anunciado en 1992 [2.31]. El primer funcionamiento DC de un HEMT AlGaN/GaN
se mostró en 1993, con una corriente de drenador de saturación de 40mA/mm [2.34].
Los primeros datos de potencia en RF de 1.1W/mm a 2GHz para un HEMT
AlGaN/GaN se demostraron en 1996 [2.35]. En la fase temprana del desarrollo de
dispositivos de GaN, muchos HEMTs AlGaN/GaN presentaron una discrepancia
entre la potencia de salida predicha por las curvas I-V y las medidas load pull de la
potencia de salida, referidas como “dispersión DC a RF”. Como se puede ver en la
figura 2.4, un colapso de corriente ocurre en las medidas I-V.
Fig. 2.4. Características DC y pulsadas I-Ven un HEMT de AlGaN/GaN no pasivado.
Se cree que es un fenómeno tipo trampa donde las trampas de la superficie y
del sustrato contribuyen [2.36], [2.37]. La existencia de la dispersión ha limitado
severamente la potencia de salida en microondas de los HEMTs de GaN, hasta que se
propusieron dos innovaciones para superar este problema. Una de ellas es la
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introducción de la pasivación SixN en el 2000 [2.38], [2.39], que efectivamente
disminuyó la dispersión DC a RF causada por estados trampa de la superficie,
resultando así en un significativo aumento de la potencia de salida de 9 a 11W/mm
[2.40], [2.41]. La otra innovación fue la adopción de la placa de campo en 2003
[2.10], [2.42]. Además de la función tradicional de la placa de campo de aumentar la
tensión de ruptura, también reduce la dispersión más allá de lo que la pasivación SixN
ofrecía. Desde entonces, la densidad lineal de potencia de salida se ha incrementado
aún más con la ayuda de las continuas mejoras de las técnicas de crecimiento,
cualidades de los materiales, mejoradas tecnologías de procesado y diseños de
dispositivos más óptimos.
La tendencia de los dispositivos basados en GaN es a conseguir una mayor
densidad lineal de potencia de salida, mayor eficiencia en potencia (PAE), mayores
frecuencias de operación y mejor fiabilidad. Con el fin de conseguir estos requisitos,
se están desarrollando novedosos diseños de dispositivos y tecnologías de procesado.
Recientemente, se ha hecho un gran progreso, y se discutirá a continuación. Las
siguientes subsecciones se centran en mejoras del rendimiento de transistores de
microondas. La última subsección trata los desafíos únicos de optimización del
dispositivo para ondas milimétricas.
2.3.1. HEMTs de GaN con placas de campo
Implementar una placa de campo en una capa de dieléctrico en el lado del
drenador de un HEMT de GaN ha resultado ser una de las mejoras más significativas
y desafiantes [2.10], [2.42], [2.43]. El rendimiento y las soluciones de compromiso de
las configuraciones de la placa de campo (FP) han sido investigadas en un intento de
conseguir las mejores características de ganancia y potencia.
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FP conectada por puerta (GC-FP, Gate-Connected Field Plate): La figura
2.5(a) muestra la sección transversal de un HEMT de GaN GC-FP. La función de una
FP es modificar el perfil del campo eléctrico, y disminuir su valor de pico, reduciendo
por tanto efectos trampa y aumentando las tensiones de ruptura. Las FP iniciales eran
construidas como parte de la puerta, o unidas a la puerta externamente. Esto ha
resultado efectivo para mejorar el rendimiento en alta potencia y permitir la
operación con altas tensiones. Hasta cierto valor, cuanto más larga es la FP, mayor
potencia se consigue. Sin embargo, en esta configuración la capacidad entre la FP y el
drenador se convierte en la capacidad puerta a drenador (Cgd), lo que lleva a una
realimentación negativa Miller. Esto provoca una reducción en las frecuencias de
corte (ft/fmax) de la ganancia de corriente y en la ganancia de potencia.
FP conectada por fuente (SC-FP, Source-Connected Field Plate): Si se
estudia más detenidamente el funcionamiento del dispositivo, se revela que como la
oscilación de la tensión a través de la puerta y la fuente es de sólo 4-8V para un
HEMT de GaN típico, mucho menos que la oscilación de salida dinámica de unos
230V, es posible terminar la FP con la fuente, como muestra la figura 2.5(b), ya que
satisface las características electrostáticas para ser funcional. En esta configuración,
la capacidad FP a canal se convierte en la capacidad drenador a fuente, que se puede
absorber en el ajuste de la red a la salida. El inconveniente de la capacidad adicional
Cgd por la FP es así eliminado. Dependiendo de la implementación, la SC-FP puede
añadir capacidades parásitas a la entrada del dispositivo. Sin embargo, se puede
absorber también en el ajuste de la red a la entrada, al menos para aplicaciones de
banda estrecha.
SC-FP, GC-FP, y dispositivos sin FP, fueron fabricados en la misma oblea para
una evaluación directa. Comparados con los dispositivos sin FP, la ganancia de
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potencia inversa (S12) del dispositivo con GC-FP se incrementó un 71% a 4GHz,
mientras que la del dispositivo con SC-FP se redujo un 28%. La reducción de S12 en
el segundo caso se atribuye al efecto de protección Faraday por la FP a tierra. Como
resultado, a 10V de polarización del drenador y a 4GHz, el dispositivo SC-FP
muestra un significativo aumento de ganancia estable, de unos 5dB. Esta ventaja para
los dispositivos SC-FP se mantiene para polarizaciones en el intervalo de valores de
10 a 60V.
Fig. 2.5. Sección cruzada de un HEMT de GaN con...
a) Placa de campo conectada por puerta. b) Placa de campo conectada por fuente.
El rendimiento para señales de mayor tensión se caracterizó con medidas de
potencia load pull a 4GHz. Ambos dispositivos, el GC-FP y el SC-FP superaron a los
dispositivos sin FP tanto en potencia de salida como en PAE a 48V o más, siendo
importante mencionar que el SC-FP entregó consistentemente ganancias para las
señales de alta tensión de 5-7dB mayores que el GC-FP.
Como diseños exitosos para alta tensión, ambos dispositivos fueron capaces de
trabajar a 118V de polarización, donde el ajuste fue optimizado para la mejor
combinación de ganancia, PAE y potencia de salida, realizado en el punto de
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compresión de 3dB (P3dB). Mientras ambos dispositivos generan densidades de
potencia alrededor de los 20W/mm, el dispositivo SC-FP destaca por 7dB más de
ganancia asociada. Con la ganancia lograda de 21dB a 4GHz para señales de alta
tensión, y con la oscilación de tensión estimada de 224V, el producto triple de
tensión-frecuencia-ganancia (figura de mérito de Johnson [2.1]) para el SC-FP se
aproxima a 10kV-GHz, el más alto mostrado para cualquier dispositivo
semiconductor.
Estos estudios fueron realizados para el funcionamiento para la banda C y por
debajo. Para aplicaciones en la banda X y por encima, las dimensiones de las FP se
tienen que reducir como corresponde para disminuir las capacidades parásitas.
2.3.2. HEMTs de GaN empotrados en profundidad
La pasivación SiNx se ha utilizado para reducir la dispersión, pero la
reproducibilidad de la tensión de ruptura, las fugas de la puerta, y la efectividad de la
eliminación de la dispersión son fuertemente dependientes del proceso.
Recientemente, soluciones al problema de la dispersión se han dirigido al nivel
epitaxial [2.45], [2.46]. Uno de estos enfoques, que ha hecho un progreso
significativo, es el HEMT de GaN empotrado en profundidad., usando una gruesa
capa con el fin de alejar la superficie y eliminar así la dispersión, tal como mostramos
en la figura 2.6.
El efecto de la superficie en el canal es inversamente proporcional a la distancia
entre la superficie y el canal. Las gruesas capas de AlGaN o GaN en los HEMTs
empotrados en profundidad incrementan esta distancia, de forma que la dispersión
producida por las trampas de la superficie es reducida o eliminada sin la necesidad de
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una pasivación superficial, ya que ahora sólo una pequeña parte de la carga del canal
es afectada comparada con la de los HEMTs convencionales. La capa graduada de
AlGaN es dopada con silicio para compensar la carga por polarización negativa y
prevenir así la acumulación de huecos.
Fig. 2.6. Estructura del dispositivo HEMT de GaN empotrado en profundidad.
El flujo de procesado es similar al del HEMT estándar salvo por el profundo
empotrado de la puerta. Un tratamiento de plasma de flúor para la superficie
empotrada antes de la metalización de la puerta se ha mostrado muy efectiva para
reducir las fugas de la puerta (hasta dos órdenes de magnitud) y aumentar la tensión
de ruptura (en más de 200V) [2.48]. Se ha llegado a lograr una densidad lineal de
potencia a la salida de más de 17W/mm, sin necesidad de una pasivación en la
superficie.
Con el fin controlar la profundidad del empotrado con precisión y mejor la
fabricación, se ha desarrollado una selectiva tecnología de grabado en seco de GaN
sobre AlGaN utilizando Bcl3/SF6 [2.49]. La presencia de flúor disminuye la velocidad
de grabado del AlGaN debido a la formación de unos residuos de AlF3 no volátiles en
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la superficie de AlGaN. La estructura compatible de empotrado profundo tiene un
límite de GaN (>200nm) y una interfaz abrupta de GaN/AlGaN para definir
claramente la posición de parada del grabado, como mostramos a continuación, en la
figura 2.7.
Fig. 2.7. Estructura del dispositivo HEMT de GaN empotrado en profundidad con límite de GaN,
que es compatible con tecnología grabado selectivo.
Se ha conseguido una selectividad de en torno a 25 de GaN sobre Al0.22Ga0.78N.
La selectividad se incrementó con la proporción de Al en AlGaN, hasta un valor
alrededor de 50-100 entre GaN y AlN. Los dispositivos procesados con tecnología de
grabado selectivo demostraron unas variaciones de procesado significativamente
pequeñas, además de un excelente rendimiento de potencia en microondas. A 10GHz,
se ha conseguido un valor de PAE del 63% con una densidad lineal de potencia de
salida de 5W/mm a VD = 28V. Mientras que a VD = 48V se ha conseguido una
densidad lineal de potencia a la salida de 10.5W/mm, con un valor de PAE del 53%.
El rendimiento en potencia de estos dispositivos con una longitud de puerta de 0.6μm
es comparable al estado del arte alcanzado en HEMTs AlGaN/GaN pasivados con
SiNx a 10GHz.
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2.3.3. HEMTs Metal-Óxido-Semiconductor (MOSHEMT)
El diseño del MOSHEMT combina las ventajas de la estructura MOS, que
elimina la fuga de corriente de la puerta, y una heterointerfaz AlGaN/GaN que
proporciona un canal 2DEG de altas densidad y movilidad [2.50]. Con la propuesta
del MOSHEMT también se permiten las aplicaciones de grandes tensiones positivas
de puerta, para aumentar aún más la densidad laminar de electrones en el canal 2-D, y
por tanto, la corriente pico del dispositivo. El canal construido en el MOSHEMT está
formado por un 2DEG de alta densidad en la interfaz AlGaN/GaN como si de un
HEMT AlGaN/GaN se tratara. Sin embargo, en contraste con este último, la puerta
metálica es aislada de la barrera de AlGaN por una película dieléctrica de SiO2, AlO,
ZrO, NbO, o AlN, entre otros, tal como se muestra en la figura 2.8.
Fig. 2.8. Estructura del dispositivo de un MOSHEMT AlGaN/GaN.
De este modo, la puerta del MOSHEMT se comporta como la puerta de un MOS
más que como una barrera Schottky propia de los HEMTs. Como la capa barrera de
AlGaN correctamente diseñada es completamente agotada mediante transferencia de
electrones a la capa adyacente de GaN, el aislador de puerta del MOSHEMT consiste
de dos capas secuenciadas: la película de SiO2 y la epicapa de AlGaN. Esta doble
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capa asegura una fuga de corriente realmente pequeña para una gran oscilación de
tensiones negativas a positivas en la puerta. La eliminación de la fuga de corriente en
la puerta es una de las características más importantes del MOSHEMT. Esta fuga
puede rondar un valor de 1nA/mm con una polarización de puerta de 20V y a
temperatura ambiente, lo que supone un valor seis órdenes de magnitud menor que en
un HEMT estándar de las mismas dimensiones. Incluso a 300ºC, la fuga de corriente
de puerta para un MOSHEMT permanece a 3 ó 4 órdenes de magnitud por debajo.
La máxima corriente DC de drenador de saturación a tensiones positivas es un
parámetro clave que controla la máxima potencia de salida en RF. Para HEMTs
AlGaN/GaN convencionales, tensiones en la puerta con un exceso de 1.2 V resulta en
una corriente excesiva. En cambio, en un MOSHEMT se pueden aplicar tensiones tan
altas como 10V. Esto se traduce en un incremento significativo en la máxima
corriente del canal. La fuga de corriente en la puerta, sin embargo, permanece por
debajo de 1nA/mm. En la figura 2.9 se muestran las características de transferencia
para un MOSHEMT de 1.5μm de longitud de puerta, y para un HEMT medido en la
tensión de drenador suficiente para cambiar a estado de saturación.
Fig. 2.9. Máximas saturación y fuga de corriente de puerta en un MOSHEMT y un HEMT de 1.5μm de puerta.
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Con la pasivación SixN de la superficie y las placas de campo, el MOSHEMT
ha demostrado una densidad lineal de potencia a la salida de 18.6W/mm, y un valor
de PAE de 49.5%, a una polarización de drenador de 55V y a 2GHz. Además, no
hubo degradación después del esfuerzo que realizó en RF a esas altas densidades de
potencia durante 100 horas [2.51]. También se ha demostrado la aplicación del
MOSHEMT a mayores frecuencias, por ejemplo 26GHz [2.52]. La fuga de puerta era
mucho menor y la máxima potencia de salida 3dB mayor que en un HEMT del
mismo fabricante. Un escalado más cuidadoso de la longitud de la puerta y del grosor
de su óxido, o la adopción de dieléctricos de alta constante dieléctrica, podría
extender el funcionamiento del MOSHEMT a las ondas milimétricas.
2.3.4. Caso de HEMTs de GaN para ondas milimétricas
Nuevas aplicaciones están demandando altas potencia de salida y eficiencia a
altas frecuencias, especialmente en la banda Ka y más allá, con el propósito de
reemplazar o complementar los amplificadores de TWT (Traveling Wave Tube). Las
comunicaciones por satélite o de banda ancha wireless, así como radares avanzados,
son algunas de las numerosas aplicaciones que se beneficiarían enormemente del
aumento de la fiabilidad, reducción del tamaño y del ruido de estos amplificadores
basados en electrónica del estado sólido. Con el propósito de conseguir la meta de
trabajar en las frecuencias de las ondas-mm y más allá, nuevas tecnologías de
procesado y estructuras de dispositivos deben de utilizarse.
El espaciado puerta a fuente de un HEMT de ondas-mm debe ser minimizado,
para mantener baja la resistencia de acceso a la fuente. Sin embargo, los usuales
contactos óhmicos de las aleaciones tienen una morfología rugosa y numerosos filos,
lo que limita la reducción del espaciado puerta a fuente. Por tanto, un contacto
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óhmico sin aleación es preferible para los dispositivos de altas frecuencias. La
implantación de iones se ha utilizado en la fabricación de dispositivos de GaN para
formar contactos óhmicos sin aleación [2.53], [2.54]. En el pasado, se empleaba un
proceso de templado de altas temperaturas (1200-1500ºC) utilizando capas de
superficie protectora incluyendo SiO2 [2.55], Si3N4 [2.56] y AlN [2.54], así como una
alta presión (~100bar N2). Sin embargo, el uso de un proceso de templado cubierto de
alta presión y alta temperatura, limita la fabricación de este proceso para HEMTs de
AlGaN/GaN. Recientemente, en las investigaciones se ha ido aplicando esta técnica
para dopar selectivamente de silicio la región de contacto de la fuente y el drenador
del HEMT de GaN, con el fin de reducir la resistencia de contacto y permitir la
creación de contactos óhmicos sin aleación, como se muestra a continuación en la
figura 2.10 [2.57].
Fig. 2.10. Esquemático de una estructura epitaxial de un HEMT de GaN con dopado de silicio.
Los contactos óhmicos sin aleación formados en la región implantada tienen
superficies mucho más suaves que los contactos óhmicos. Esto permite la reducción
del espaciado puerta a drenador, consiguiendo con ello bajar aún más la resistencia de
acceso, lo que es importante para los dispositivos de alta frecuencia. Las mismas
investigaciones han demostrado también un proceso de templado con implantación y
sin cubrir, con un menor coste térmico y una fabricación mejorada [2.57].
Dispositivos fabricados con los contactos óhmicos sin aleación muestran un
comportamiento comparable a dispositivos de control, indicando que la implantación
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y el proceso de templado sin cubrir no degradan las características del material en los
HEMTs. Recientemente, se ha conseguido un contacto óhmico sin aleación con una
resistencia menor a 0.3Ω-mm, gracias a la optimización del proceso de implantación
de iones, incluyendo la reducción del espaciado entre el implante y el borde óhmico.
El HEMT mostró un excelente valor de PAE del 60% con una densidad lineal de
potencia de salida de 7.3W/mm, a 10GHz y con una VD = 35V [2.58].
En los últimos años, el rendimiento en potencia en la banda Ka ha hecho un
continuo progreso. Por ejemplo, una densidad lineal de potencia de salida de
2.8W/mm fue conseguida a 40GHz en el 2003 [2.59], y 5.7W/mm a 30GHz en 2004
[2.60]. Más recientemente, en 2005, una densidad lineal de potencia de salida de
10.5W/mm con un valor de PAE del 34% fue demostrada a 40GHz con una
polarización de drenador de 30V [2.61]. El dispositivo tenía una longitud de puerta de
de 160nm y mostró una frecuencia de corte (ft) para la ganancia en corriente de
70GHz, con respecto a una frecuencia máxima (fmax) de 100GHz. Esta potencia de
salida tan alta es el resultado de la combinación de una densidad de corriente muy
alta (~1.4A/mm a VGS = 2V), y de una tensión de ruptura también muy alta (> 80V).
Mayores valores de ft y de fmax se requieren para el funcionamiento más allá de la
banda Ka, y están atrayendo muchos esfuerzos de investigación [2.62]. Los métodos
tradicionales, por ejemplo, longitud de puerta más pequeña, o puertas con forma Γ
para reducir la capacidad puerta a drenador, son todavía efectivos para aumentar aún
más el rendimiento del dispositivo. Una ft de 180GHz se ha conseguido con una
puerta de 30nm, una fina capa barrera de AlGaN y una fina capa con deposición de
SiN [2.63]. Con el propósito de mejorar el confinamiento de los electrones para
reducir la conductancia de salida y mejorar la fmax, el concepto de la barrera trasera ha
atraído la atención de algunas investigaciones recientes. El DHFET utilizando un
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buffer Al0.04Ga0.96N de bajo contenido en Al, consiguió una fuga de drenador en el
subumbral tres órdenes de magnitud más pequeña, y demostró una mejora del 30% en
densidad lineal de potencia de salida, y un 10% de mejora en el valor de la PAE
[2.64]. Otro diseño de barrera trasera de InGaN utilizó la propiedad única de fuerte
polarización del GaN el confinamiento de la carga en el canal [2.65]. Esto condujo a
una mejora de la resistencia de salida. Los HEMTs estándar con una longitud de
puerta de 200nm, presentan una resistencia de salida de 20±5Ω·mm, mientras en una
muestra con una barrera trasera de InGaN, la resistencia de salida es de 35±5Ω·mm.
Un promedio del 18% de incremento en fmax fue medido como resultado de la mejora
en el confinamiento. Se ha conseguido una fmax de 230GHz y una fT de 150GHz
mediante dispositivos no pasivados. Se necesita más trabajo para confirmar los
beneficios de los dispositivos de barrera trasera de InGaN bajo señales de gran
tensión.
2.3.5. Linealidad en HEMTs de GaN
Para todas las aplicaciones en las comunicaciones con una alta tasa de
transmisión de datos, la linealidad del dispositivo es una especificación clave en su
rendimiento. Debido al gran espacio de operación en el plano I-V, comparado con los
semiconductores de menor banda de gap, los HEMTs de GaN tienen el potencial de
ofrecer una alta linealidad para unos requisitos estrictos. Los criterios de linealidad
para los transmisores de alta potencia se suelen expresar en términos de potencia de
salida y eficiencia a un determinado nivel de distorsión. Aunque existen muchos
esquemas de modulación, la evaluación básica de la tecnología de un dispositivo se
puede hacer siempre con una medida de la intermodulación de 2-tonos. La mejor
combinación de los linealidad-eficiencia para 2-tonos anunciada hasta ahora, se
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Capítulo 2 Tecnología de GaN
consiguió con un HEMT de GaN con placa de campo [2.66]. Estos dispositivos eran
similares a los que describimos anteriormente en la subsección 2.3.1. Las
dimensiones de la puerta eran de 0.5x246 μm2. Las longitudes de la FP (LF), definidas
como las extensiones de la FP sobre el borde de la puerta en el lado del drenador,
fueron puestas a 0 (no habría FP), 0.7 y 1.1μm.
Todos los dispositivos, con y sin FP, tienen características DC similares,
incluyendo más de 1A/mm de corriente de canal abierto, y un valor de -4V para la
tensión pinch-off. Sin embargo, los dispositivos con FP mostraron tensiones de
ruptura superiores a los 140V, en contraste con los 100V propios de los dispositivos
sin FP. Cuando se estudiaron las frecuencias de corte en contraposición con la
corriente de polarización, todos los dispositivos presentaron un encendido muy
pronunciado en las frecuencias de corte de la ganancia en potencia (fmax) mientras el
canal del dispositivo se iba abriendo. Estas características en ganancia son muy
apropiadas para el funcionamiento en alta eficiencia, esto es, en Clase B o Clase AB
profunda.
Estando polarizado a 48V, con una pequeña corriente estática de 20mA/mm, y
excitado con una señal 2-tonos con espaciado de 100kHz a 4GHz, la respuesta de un
dispositivo sin FP fue de 3.4W/mm de densidad lineal de potencia a la salida, con un
56% de PAE y 15.8dB de ganancia en IM3 con -30dBc. Los dispositivos con FP
mostraron un comportamiento lineal mejorado gracias al moldeado del campo. Sin
embargo, al incrementarse LF, la ganancia se redujo, lo que afectó negativamente a la
PAE. Como compromiso, LF = 0.7μm se encontró como solución óptima a esta
tensión de polarización, consiguiendo una densidad lineal de potencia de 3.7W/mm,
con un 57% de PAE, y 13.7dB de ganancia en IM3 con -30dBc.
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Capítulo 2 Tecnología de GaN
Una ventaja más significativa de los dispositivos con FP es su capacidad para
el funcionamiento a tensiones más altas. A 78V, se obtienen 7W/mm, con un valor de
50% de PAE, y 15.2dB de ganancia, de un dispositivo de LF = 0.7μm. Con tensiones
de polarización mayores, se necesita una LF más larga. A 108V, un dispositivo con
una LF = 1.1μm produjo 10W/mm a la salida, con una PAE del 41% y una ganancia
de 14.3dB en IM3 con -30dBc. La combinación entre la alta densidad lineal de
potencia y el alto valor de PAE, supone una mejora drástica sobre los rendimientos
anunciados previamente, lo que es muy prometedor para las futuras aplicaciones en
comunicaciones.
Como ejemplo de aplicaciones comerciales, Cree Inc. Ha empezado a ofrecer
productos HEMT de GaN para transistores HEMT de excepcionales características
para amplificadores WiMax. En vez de utilizar tres amplificadores para manejar un
ancho de banda de 3.3-3.9GHz en tecnologías de silicio, un simple amplificador
HEMT de GaN no sólo cubre toda esta banda, sino que además lo hace con unas
eficiencias de drenador mucho mayores, entre 23-28%, a un nivel de distorsión con
especificación EVM (Error Vector Magnitud) del 2%, en comparación con el 18% de
los dispositivos de silicio.
Otra importante ventaja es el reducido efecto de memoria en los HEMTs de
GaN, lo que resulta beneficioso para los transmisores pre-distorsión digitales
modernos [2.67]. Recientemente, usando todas las ventajosas características de los
HEMTs de GaN, se consiguió un destacable promedio de eficiencia pared-enchufe
del 50% en el amplificador de una estación base WCDMA, una potencia media de
salida de 37.2W, con un error RMS de potencia normalizado de 0.7% y con un ACLR
de -52dBc a una frecuencia de offset de 5MHz [2.68], lo que resulta al menos el
doble de mejora con respecto a las tecnologías convencionales.
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Capítulo 2 Tecnología de GaN
2.3.6. Desafíos en fiabilidad y fabricación
Uno de los últimos obstáculos restantes para la comercialización de la
tecnología de GaN ha sido la demostración de una fiabilidad consistente con los
requisitos del sistema. Para mejorar la fiabilidad, la investigación se ha centrado en
reducir o eliminar las corrientes de fuga del dispositivo bajo condiciones de campo
intenso y alta potencia asociadas a la operación del dispositivo. Esto incluye:
➢ Mejorar la calidad del material (reduciendo la frecuencia de defectos) tanto en
los sustratos como en las capas formadas por crecimiento epitaxial.
➢ Enfoques de ingeniería epitaxial tales como capas de barrera trasera para
reducir las corrientes de fuga [2.64].
➢ Estabilización/pasivación de la superficie para eliminar arrastres debidos a
cambios de carga en la superficie y corrientes de fuga de puerta [2.69], [2.70].
➢ Técnicas de ingeniería de procesado y del dispositivo, tales como el empotrado
de la puerta o el uso de placas de campo, para reducir picos de campo eléctrico
en el canal.
➢ Desarrollo de contactos óhmicos robustos.
Se ha presentado en varios congresos un reciente progreso en la fiabilidad de
dispositivos de gran banda de gap. Numerosos laboratorios [2.70]-[2.75] han
presentado avances de funcionamientos de dispositivo fiable para los estándares
industriales en evaluación de fiabilidad. La extrapolación de los resultados a los que
llegan predicen un funcionamiento estable de los HEMTs de GaN en la banda X
durante más de un millón de horas bajo condiciones realistas de operación. Similares
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Capítulo 2 Tecnología de GaN
resultados se desprenden para transistores discretos de gran perímetro en la banda S
(para las estaciones base) [2.75]. Estos resultados de fiabilidad se han obtenido de
dispositivos fabricados por crecimiento epitaxial tanto MOCVD como MBE, y para
sustratos de SiC y otros alternativos como los de Si, destacando la drástica mejora en
la calidad del material durante los últimos años.
Para el uso en MMICs, los logros en la fiabilidad de los transistores son
necesarios pero no suficientes. Los componentes pasivos también deben ser fiables
bajo condiciones de alto voltaje y potencia. Con este fin, se han demostrado también
condensadores fiables a altos voltajes y alta potencia en chip MIM, los cuales tienen
un valor de MTTF mayor que 108 horas y de γ de 4MV/cm. De este modo, los
semiconductores de banda de gap ancha han madurado hasta el punto de ser
seriamente considerados para los sistemas.
Cuando el funcionamiento y la fiabilidad han sido demostrados, el último
obstáculo es producir dispositivos y circuitos RF basados en semiconductores de
banda de gap ancha en un entorno de fabricación a un coste asumible con respecto a
sus oportunidades de inserción. Como todos los pasos del procesado para la
fabricación de semiconductores de banda de gap ancha son similares a, o compatibles
con otros componentes semiconductores, la mayor parte del desarrollo se ha enfocado
en escalar la tecnología para aprovechar la infraestructura existente en el fabricado de
semiconductores. La necesidad más acuciante es la del coste efectivo de sustratos de
100mm de diámetro o mayores. Esta necesidad es la que ha dirigido el escalado de
sustratos de SiC (el más utilizado pese a ser caro, gracias a sus excelentes
propiedades térmicas) y el uso de sustratos alternativos de menor coste, tales como el
de GaN sobre Si. El crecimiento epitaxial requiere de reactores dedicados, siendo el
caso de los reactores multi-oblea de 100mm o más de GaN, recientemente
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Capítulo 2 Tecnología de GaN
disponibles. Con la disponibilidad de sustratos de 100mm de diámetro y del
crecimiento epitaxial, los semiconductores de banda de gap ancha se pueden producir
o bien en líneas de fabricación de componentes de obleas ya existentes
(aprovechando así sus cargas para reducir costes), o bien en líneas de fabricación
dedicadas utilizando un equipamiento más moderno. Como resultado, muchas líneas
de producción basadas en semiconductores de banda de gap ancha existen hoy en día
(Cree, Eudyna, RFDM, Raytheon, TriQuint, NGST) y de este modo, una
infraestructura para la fabricación de bajo coste de dispositivos basados en
semiconductores de banda de gap ancha está emergiendo.
2.4. Aplicaciones
Como la tecnología de GaN está madurando, y migrando de la universidad y los
laboratorios de investigación de la industria a las fundiciones, los semiconductores de
banda de gap ancha están atrayendo el interés en un amplio rango de aplicaciones que
van desde el teléfono móvil y la infraestructura inalámbrica (estaciones base) a la
electrónica militar de alto nivel. Se están utilizando como dispositivos discretos en
montajes híbridos y MMICs. Aunque la mayoría de las aplicaciones entran dentro de
la amplificación de potencia, estos semiconductores y particularmente el GaN
también proporcionan significativas ventajas para robustos receptores de bajo ruido y
suministros de conmutación de potencia.
Para aplicaciones de estaciones base, varios fabricantes han informado de
transistores discretos fiables, de gran perímetro y alta potencia [2.75]-[2.82]. Un
ejemplo sería el amplificador de potencia híbrido de Eudyna, capaz de proporcionar
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Capítulo 2 Tecnología de GaN
más de 200W de potencia a 2.1GHz para aplicaciones WCDMA [2.78]. Para proveer
de un margen fiabilidad, estos amplificadores híbridos son diseñados con bajas
densidades lineales de potencia, 3-4W/mm.
Cree Inc. también ha demostrado amplificadores de microondas compactos de
alta potencia, aprovechando el alto voltaje y la alta densidad de potencia de los
HEMTs de GaN [2.82]. Los dispositivos que usaron tenían un perímetro de 28.8mm
con vías perforadas bajo los contactos óhmicos de la fuente para minimizar las
inductancias a tierra y eliminar puentes de aire. Una potencia pico de 550W se
consigue a 3.45GHz, con una ganancia de 12.5dB. A 3.55GHz se consigue una
combinación excepcional de potencia-eficiencia de 521W y 72.4%.
Numerosas compañías están desarrollando MMICs de GaN para aplicaciones
desde la banda L a la banda W. La alta densidad de potencia de la tecnología de GaN
tiene dos significativas ventajas en el diseño de MMIC. La primera, que la alta
densidad de potencia supone una menor capacidad parásita por W de potencia. Y
segundo, que el alto voltaje de operación conlleva una mayor impedancia de salida.
Estos dos factores permiten el diseño de redes de adaptación más simples, con menos
pérdidas y con mayor ancho de banda, permitiendo esto a su vez amplificadores de
mayor potencia, mayor eficiencia y mayor ancho de banda que con los tradicionales
pHEMTs de GaAs.
Dos topologías diferentes de MMIC se están siguiendo, líneas microstrip y
guías de ondas co-planar (CPW, Co-Planar Waveguide). Cada propuesta tiene sus
ventajas inherentes, y ambas son capaces de producir MMICs amplificadores de alta
potencia (HPA, High Power Amplifier). MMICs basados en CPW evitan los pasos
adicionales de fabricación asociados con el procesado de la tapa (menguado de la
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Capítulo 2 Tecnología de GaN
oblea y grabado de vías) y se aprovecha de la gran propagación térmica en los
sustratos de SiC para mantener bajas las temperaturas del canal del dispositivo y una
operación fiable. Se han demostrado MMICs de GaN basados en CPW de varias
fases, con alta potencia, eficiencia y ganancia, desde la banda L a la banda Ka,
ocupando una fracción de la huella que ocupa en la tecnología de GaAs para obtener
la misma potencia de salida. Dispositivos basados en CPW podrían ser también la
opción preferida para la integración heterogénea de transistores de Si y de GaN, ya
que el silicio depende típicamente en esquemas de metalización en la superficie para
las interconexiones.
La otra propuesta que comentamos que se estaba siguiendo era la basada en
líneas microstrip. Los MMICs de GaN basados en líneas microstrip reinvierten la
experiencia y la infraestructura de los MMICs de GaAs basados en las mismas líneas.
La tecnología de vías proporciona un grado adicional de libertad para la conexión a
tierra del dispositivo y los componentes. Sin embargo, estas ventajas se logran a costa
de una reducida propagación térmica en el fino sustrato de SiC y unas restricciones
en la gestión térmica del dispositivo para mantener un funcionamiento fiable. No
obstante, se han conseguido MMICs de GaN con similares niveles de rendimiento
con cada topología de circuito, y depende del diseñador decidir que enfoque le da
mejores resultados para una aplicación dada.
Como se discutió antes, los HEMTs de GaN también han demostrado ser una
propuesta muy atractiva y viable como fuentes de potencia para aplicaciones en
ondas milimétricas [2.84]-[2.88]. Análogamente al caso de las microondas, han sido
demostradas las topologías CPW y microstrip. Recientemente, se ha probado el
funcionamiento de MMICs de GaN en la banda W. Está basado en una estructura de
dispositivo formada por crecimiento MBE y depende de una fuente individual a
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Capítulo 2 Tecnología de GaN
través de agujeros, similar a los pHEMTs de GaAs, para conseguir W/mm a la
frecuencia de 80GHz [2.88].
Aunque hay una larga historia de dispositivos pHEMTs de GaAs, MHEMTs y
HEMTs de InP, en topologías CPW y microstrip, y circuitos operando en ondas
milimétricas, estos dispositivos no pueden satisfacer los requisitos de potencia,
eficiencia y linealidad de los sistemas de la siguiente generación tales como radares,
comunicaciones por satélite o sistemas de auto-protección activos. La demostración
de dispositivos de GaN y MMICs con alta densidad de potencia y ganancia utilizable,
permitirá la proliferación de soluciones basadas en la electrónica del estado sólido
para las ondas milimétricas.
2.5. Resumen y conclusiones
Hemos visto que la necesidad de la tecnología de GaN surge asociada al rápido
desarrollo de la electrónica de potencia en RF, que requiere de la introducción de
materiales con una gran banda de gap (GaN, SiC, entre otros) debido a su potencial
en alta densidad de potencia a la salida, alto voltaje de operación y alta impedancia de
entrada. Los dispositivos de potencia basados en RF han hecho progresos sustanciales
en varios aspectos, desde el crecimiento del material, la tecnología de procesado, la
estructura del dispositivo, hasta el diseño de MMICs en la última década. La densidad
lineal de potencia a la salida ha alcanzado los 40W/mm, más de un orden de
magnitud por encima que la tecnología de GaAs. Esta enorme densidad de potencia
requiere de una gestión térmica rigurosa, pero este problema podría allanarse
consiguiendo una mayor eficiencia. Al mismo tiempo, se han conseguido unos
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Capítulo 2 Tecnología de GaN
valores de fT y fmax de unos 200GHz, extendiendo la aplicación de los dispositivos de
GaN a las ondas milimétricas y más allá. Con el asunto de la fiabilidad estando
resuelto, los dispositivos basados en GaN ofrecerán pronto nuevas soluciones a las
futuras aplicaciones electrónicas.
Una vez habiendo estudiado el estado del arte actual de la tecnología de GaN, y
las numerosas aplicaciones que aprovechan sus cualidades, nos introduciremos en el
siguiente capítulo en el diseño de amplificadores de potencia, que era una de las
aplicaciones preferentes que habíamos visto, y que será el tema central del proyecto
que nos ocupa.
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