capítulo 2: estado del arte de la tecnología de...

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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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