Technologie im Fokus GaN-Geheimnis gelüftet: Wundermaterial für moderne HF-Anwendungen

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Seine besonderen physikalischen Eigenschaften machen Galliumarsenid als Material für HF-Transistoren für 5G- und 6G-Mobilfunknetze interessant. Nun wurde der Mechanismus hinter der Ionenimplantation zur elektrischen Isolierung von GaN-Transistoren, so genannten HEMT, entschlüsselt.

Da die Nachfrage nach Bandbreite ständig steigt und die vorhandenen Frequenzbänder überlastet sind, sucht die Telekommunikationsbranche nach neuen Technologien, um die Anforderungen der zukünftigen mobilen Kommunikation zu erfüllen. Dabei ist die Suche nach mehr Bandbreite untrennbar mit der Nutzung höherer Funkfrequenzen verbunden, d.h. je höher die Betriebsfrequenz, desto mehr Bandbreite ist verfügbar.

Während Forscher neue III-V-Materialien wie Indiumphosphid für Frequenzen über 100 GHz untersuchen, gehen sie davon aus, dass Galliumarsenid-(GaN-)basierte Technologien im unteren mm-Wellenbereich (mmWave, d.h. unter 50 GHz) des Hochfrequenzspektrums eine wichtige Rolle spielen wird, etwa in Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (high-electron-mobility transistor, HEMT). Als solche wird sie für die nächste Generation von 5G-Netzwerken und möglicherweise für frühe Versionen von 6G eingesetzt werden.

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Hohe Stromdichte, hohe Elektronenbeweglichkeit, große Überspannungsfestigkeit

GaN verdankt sein Potenzial für die Kommunikation im HF- und unteren Millimeterwellenbereich seinen herausragenden physikalischen Eigenschaften: Das Material verfügt über eine hohe Stromdichte, eine hohe Elektronenbeweglichkeit und eine große Durchbruchspannung. Aufgrund seiner hohen Mobilität kann es mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten als die heutige Si-basierte Technologien. Abgesehen von der Geschwindigkeit wird GaN-basierte Technologie auch für ihre Leistungsfähigkeit geschätzt, denn sie kann energieeffizient hohe Ausgangsleistung liefern.

Daher ist GaN ein attraktives Material zum Herstellen von Leistungsverstärkern, die in den Front-End-Modulen kommender Mobiltelefone und kleiner Funkzellen eingesetzt werden. Diese Front-End-Module übertragen die Hochfrequenz-(HF-)Signale zu und von den Antennen. Die höhere Belastbarkeit von GaN im Vergleich zu herkömmlichen Si- oder SiGe-basierten Technologien führt zu einer höheren Übertragungsreichweite und/oder zu einer geringeren Anzahl von Elementen, die für die Ansteuerung der Antennen benötigt werden.

GaN-on-Si-Technologie: Nicht nur für Leistungselektronik interessant

Als Leistungsverstärker in Endgeräten und kleinen Zellen sind die Kosten und der Formfaktor eines Geräts ebenso wichtig wie seine elektrischen Eigenschaften. Wie bereits erwähnt, hilft GaN dank seiner inhärenten Eigenschaften, die Größe des Front-End-Moduls zu reduzieren. Um jedoch hoch skalierbare Formfaktoren zu erreichen, müssten die verschiedenen Komponenten der RF-Front-End-Technologie integriert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, stimmt Imec im Rahmen seines Advanced RF-Programms seine GaN-on-Si-Technologieplattform auf RF-Anwendungen ab.

GaN-on-Si wird im Vergleich zu GaN-on-Siliziumkarbid (GaN-on-SiC) aus Gründen der Kostenersparnis gewählt: Si-Substrate sind nicht nur billiger, sondern der CMOS-kompatible Prozess ermöglicht auch die Herstellung in großem Maßstab. Die GaN-on-Si-Technologie wurde ursprünglich für Anwendungen in der Leistungselektronik entwickelt und sollte die Energieumwandlung in Batterieladegeräten, Computern, Servern, Automobilen, Beleuchtungssystemen und in der Photovoltaik ermöglichen.

Auf dem Weg zu einer tragfähigen, CMOS-kompatiblen GaN-on-Si-Plattform

Es bedarf einiger technologischer Entwicklungen, um die GaN-on-Si-Technologie auch für mobile RF-Anwendungen geeignet zu machen. Um hohe Frequenzen zu erreichen, müssen parasitäre Störungen innerhalb der Gerätestrukturen so weit wie möglich unterdrückt werden. Dies bedeutet zum Beispiel, dass der Source-Access-Widerstand reduziert werden muss (z.B. durch die Entwicklung von Technologiemodulen mit erhöhtem Source-Drain) und dass die Gate-bezogenen parasitären Kapazitäten reduziert werden müssen. Die Optimierung des Bausteins für höhere Betriebsfrequenzen wird auch eine weitere Verkleinerung der Gate-Länge erfordern. Dies kommt einer höheren fT/fmax zugute, die ein Maß für die intrinsische Geschwindigkeit des Bausteins ist. Außerdem muss die Pufferschicht RF-kompatibel gemacht werden, um die RF-Substratverluste zu minimieren.

Imec's GaN-on-Si Prozessablauf für RF beginnt mit dem Wachstum (durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD)) einer epitaktischen Struktur auf 200mm Si-Wafern. Die epitaktische Struktur besteht aus einer proprietären GaN/AlGaN-Pufferstruktur, einem GaN-Kanal, einem AlN-Abstandshalter und einer AlGaN-Barriere. GaN-HEMT-Bauelemente mit TiN-Schottky-Metall-Gate werden anschließend mit einem (Niedrigtemperatur-) 3-Ebenen-Cu-Back-End-of-Line-Prozess integriert.

Schon demonstriert: GaN-HEMTs schaffen 135 GHz

Auf Basis der CMOS-kompatible Plattform haben Imec-Forscher GaN-HEMTs hergestellt und auf dem International Electron Devices Meeting 2020 (IEDM 2020) demonstriert. Optimierungen des Gate-Metal-Stacks, des Kontaktwiderstands und der Skalierung der Gate-Länge (auf 110 nm) führten zu Bauelementen mit einer fmax von 135 GHz – ein Schritt in Richtung mm-Wellen-Anwendungen. Die wichtigsten Kennzahlen für Leistungsverstärker sind die Ausgangsleistung und die Effizienz, die die Transistoren liefern können. Die GaN-on-Si-Plattform von Imec erzielt wettbewerbsfähige Ergebnisse, die eine Power-Added-Effizienz (PAE) von 60 Prozent und eine gesättigte Ausgangsleistung (PSAT) von 2 W/mm für ein Bauelement mit einer Gate-Länge von 0,19 μm (LG) bei 6 GHz erreichen (Bild 2). Bei kürzeren Gate-Längen wurde eine noch bessere Leistung bei 28 GHz gemessen.

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Im Laufe der letzten Jahre ist die GaN-on-Si-Technologie ziemlich gereift, was vor allem auf die Entwicklung einer Technologie zurückzuführen ist, die ursprünglich für Anwendungen in der Leistungselektronik gedacht war. Angesichts dieses Entwicklungsstands ist die Erforschung der physikalischen Grundlagen für die Funktionsweise der Bauelemente ein zusätzliches Instrument zur weiteren Verbesserung der Bauelementeigenschaften.

Imec ergänzt daher die Technologieentwicklung mit Modellierungsarbeiten, die letztendlich zu einer besseren Leistung und Zuverlässigkeit beitragen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse werden nicht nur der Entwicklung von GaN-HEMT-Bauelementen für mm-Wellen-Anwendungen zugutekommen, sondern auch anderen Anwendungsbereichen, einschließlich der GaN-basierten Leistungselektronik. Hier ein Beispiel für eine solche Modellierungsaktivität, die sich auf einen der technologischen Bestandteile der GaN-on-Si-Plattform konzentriert: die Bausteinisolierung.

Modulisolierung durch Ionenimplantation

Bei der Integration von GaN-HEMTs in eine gemeinsame Si-Plattform müssen die Komponenten elektrisch voneinander isoliert sein, mit möglichst wenigen Leckagepfaden zwischen benachbarten Bausteinen. Dies reduziert den Leistungsverlust und verbessert das Durchbruchverhalten der aktiven Bauelemente. Für GaN-HEMTs hat sich die Ionenimplantationstechnik bereits als attraktiver Isolationsansatz gegenüber anderen Isolationstechniken wie dem Mesa-Ätzen erwiesen, da sie geringere Leckströme und eine höhere Durchbruchsspannung der Isolationsbereiche ermöglicht. Die Technik wurde ursprünglich für GaN-basierte Leistungselektronikanwendungen entwickelt, wo sie derzeit eine der aktiv genutzten Isolationstechniken ist.

Durch die Ionenimplantation werden mehrere Defekte in die GaN-Heterostruktur eingebracht, die als Einfangstellen für die Ladungsträger dienen. Physikalisch gesehen drücken diese Defekte das Fermi-Niveau weg vom Leitungs- (oder Valenz-) Band von GaN. Das Implantieren von Ionen (wie z.B. Nitrid (N)-Ionen) in die Region um die Bauelemente reduziert daher die Anzahl der leitenden freien Ladungsträger und schafft eine elektrisch isolierende Region.

In Experimenten haben die Forscher außerdem herausgefunden, dass die durch die Ionenimplantation hervorgerufenen Schäden nach dem Ausglühen bei hohen Temperaturen (über 600°C) verschwinden, wodurch die Qualität der Isolierung beeinträchtigt wird. Der GaN-on-Si-Fertigungsprozess von Imec zeichnet sich durch ein niedriges Wärmebudget nach der Epitaxie aus und garantiert eine hochwertige Isolation der HEMT-Bauelemente. Imec hat bereits eine GaN-HEMT-Ionenimplantations-Isolationstechnik demonstriert, die den höchsten bekannten Schichtwiderstand (im Bereich von 10¹³ – 10¹⁵Ω/sq) ermöglicht – eine entscheidende Kennziffer zur Quantifizierung der Isolation.

Der Funktionsmechanismus der Ionenimplantationsisolation: ein grundsätzlicher Einblick

Allerdings ist es bislang ein Rätsel, warum diese Technik so gut funktioniert und wo genau der (verbleibende) Leckpfad für den Strom entsteht. Ein grundlegendes Verständnis und die Modellierung des Leckage-Mechanismus in ionenimplantierten Bereichen könnte dazu beitragen, die Prozessbedingungen (wie Wärmebudget, Implantationsdosis und Energie) für verschiedene Anwendungen, einschließlich der mm-Wellenkommunikation, weiter zu verbessern.

Die Schwierigkeit, den genauen Mechanismus hinter der Isolierung zu verstehen, hat natürlich einen Grund. Der ionenimplantierte Bereich ist voller Defekte, und diese sind unterschiedlicher Natur: Punktdefekte (wie Leerstellen oder Zwischengitteratome), Defektkomplexe, Fremdionenverunreinigungen, Gitterstörungen, um nur einige zu nennen. Darüber hinaus befinden sich Polarisationsladungen an der Grenzfläche zwischen Al(Ga)N und GaN. Dieser komplexe Mix aus Defekten und Ladungen macht es äußerst schwierig, das Verhalten der Ladungen innerhalb der isolierten Heterostruktur zu simulieren und den Leckpfad zu lokalisieren.

Isolierte GaN-basierte Heterostrukturen: Erstmals Leckagemechanismus aufgedeckt

Durch die Kombination experimenteller und modellierender Arbeiten haben Forscher des Imec nun erstmals detailliert den Leckagemechanismus in isolierten GaN-basierten Heterostrukturen aufgedeckt – und gezeigt, dass sich Ionenimplantation als Methode zur elektrischen Isolierung von GaN-HEMT-Bausteinen sehr gut eignet. Die Einzelheiten dieser Arbeit haben sie kürzlich im Journal of Applied Physics veröffentlicht.

Durch den Aufbau spezieller Experimente mit unterschiedlichen AlGaN- und AlN-Dicken konnten die Forscher die Schichtwiderstände der isolierten Bereiche und die entsprechenden Aktivierungsenergien erfassen und analysieren. Diese Experimente ließen sie zu dem Schluss kommen, dass der dominierende Leckstrom über einen ohmschen Pfad der Elektronen an der GaN-Oberfläche entsteht.

In physikalischen Begriffen ausgedrückt, bedeutet dies, dass das GaN-Leitungsband in der Nähe der GaN-Oberfläche nach unten hin abnimmt. Diese Einblicke bildeten die Grundlage für eine detailliertere Modellierung der isolierten Heterostruktur und für die Rekonstruktion ihrer Energiebanddiagramme. Darüber hinaus half die Theorie bei der Extraktion der Netto-Defektdichten in diesen isolierten implantierten Regionen, die bei diesen Experimenten ~2x10¹⁹cm-3 und ~2x10¹⁸cm-3 für GaN bzw. AlGaN betrugen.

Auch für Leistungselektronik relevant

Die Mehrzahl dieser Defekte sind Punktdefekte. Diese wurden durch Ionenimplantationstechniken erzeugt und durch die HEMT-Fertigung von Imec mit einem geringen thermischen Budget vor Rekombination bewahrt. Die hohe Dichte an Punktdefekten ist wichtig, um die Beugung des GaN-Oberflächenenergiebandes und damit die Leckage zu begrenzen.

Diese Forschungsergebnisse verbessern die Prozessbedingungen, um eine gute Isolationsqualität zu erreichen, wenn es um RF/mm-Wellenkommunikation geht. Die Erkenntnisse lassen sich auch auf Anwendungen in der Leistungselektronik übertragen. Darüber hinaus führte die Studie zu einer neuartigen Methode zur Abschätzung der Netto-Defektdichte in isolierten GaN-basierten Heterostrukturen.

Diese Aktivitäten fügen sich in den breiteren Rahmen der Optimierung von GaN-Bauelementen für RF-Anwendungen durch Technologie und Modellierung ein. Die Ergebnisse veranschaulichen, wie die Aufdeckung der physikalischen Hintergründe dazu beitragen kann, diese GaN-basierten Komponenten zur nächsten Entwicklungsstufe zu bringen. (me)

Weitere Einzelheiten

J. Appl. Phys. 131, 035701 (2022). Interested in receiving the ‘Leakage mechanism in ion implantation isolated AlGaN/GaN heterostructures’ article by Hao Yu et al.

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