FBH-Forschung: 13.11.2013

100 nm Ka-Band-Transistoren ohne Kurzkanaleffekt

Design Epitaxieschichten
Tabelle 1. Design der Epitaxieschichten
Ausgangskennlinien von Transistoren Standarddesign
Ausgangskennlinien von Transistoren neues Design
Fig. 1. Ausgangskennlinien von Transistoren mit 100 nm Gates mit geneigten Seitenflanken (slanted gates) auf Epi-Schichten gem. Standard- (a) oben) und neuem Design (b) unten).
REM-Querschnitt
Fig. 2. REM-Querschnitt eines 100 nm Ir/Ti/Au Gates mit geneigten Seitenflanken

Das Ka-Band deckt den Frequenzbereich von 26,5 bis 40 GHz ab und ermöglicht breitbandige Kommunikationssysteme. Dieser Frequenzbereich eignet sich daher hervorragend für die dringend benötigten Satellitenkommunikationssysteme mit hoher Datenrate. Dies eröffnet große Marktchancen für die entsprechenden Leistungsverstärker. Monolithisch integrierte GaN-Leistungsverstärker (MMIC) eignen sich hierfür in besonderer Weise aufgrund ihrer kleinen Abmessungen, des geringen Gewichts, der flexiblen Systemimplementierung und des geringen Energieverbrauchs – Eigenschaften, die für den weltraumgestützten Einsatz unerlässlich sind. Das FBH hat nun die technologischen Schlüsselkomponenten für derartige Bauelemente mit extrem kurzen Gates und darauf angepassten Epitaxieschichten entwickelt. Diese werden derzeit in den am FBH laufenden MMIC-Gesamtprozess integriert.

Fig. 1 vergleicht zwei Generationen von Ka-Band-Transistoren mit 100 nm Gates, die auf unterschiedlichen Epitaxiestrukturen gem. Tabelle 1 realisiert wurden. Hierbei repräsentiert das „Standard“-Epidesign die epitaktischen Schichtenfolgen, die seit langem erfolgreich im 0,25-µm-GaN-MMIC-Prozess am FBH eingesetzt werden. Sie zeigen jedoch in Kombination mit 100 nm Gates einen ausgeprägten Kurzkanaleffekt, d.h. sie lassen sich bei höheren Drainspannungen nicht mehr abschnüren. Der vergleichsweise große Gate-Kanalabstand von 18 nm führt in Verbindung mit sehr kurzen Gates zu einer weniger ausgeprägten Modulation des Kanals unterhalb des Gates. Daher limitiert der sogenannte „Punch-through-Effekt“ die Steuerbarkeit bei höheren Drainspannungen (Fig. 1a).  Eine modifizierte Epitaxieschicht verhindert dies. Durch einen geringeren Gate-Kanalabstand von nur noch 12 nm erhöht sich der Durchgriff des Gates auf die Elektronen im Kanal, weiterhin fokussiert eine Potentialbarriere zum Puffer die Elektronen auf das Kanalgebiet so dass „Punch-through“ unwahrscheinlich wird. Die auf 12 nm reduzierte Dicke der AlGaN-Barrierenschicht führt jedoch bei gleichbleibender Al-Konzentration zu einer geringeren Ladungsträgerkonzentration im Kanal. Eine Erhöhung der  Al-Konzentration von 25% auf 32% kompensiert diesen Effekt.

Entsprechend Fig. 1b eliminiert die neue Struktur den Kurzkanaleffekt vollständig. Erste Messungen an den Transistoren zeigen eine Steilheit gm von 380 mS/mm bei einer, gegenüber der Standardstruktur, nur geringfügig erniedrigten Stromtragfähigkeit Ids_max. In Verbindung mit den entwickelten 100 nm langen Gates mit geneigten Seitenflanken (slanted gates) ermöglicht die neue Epi-Schichtstruktur somit Ka-Band-GaN-HEMTs ohne Kurzkanaleffekte.

Publikation:

K.Y. Osipov, W. John, N. Kemf, S.A. Chevtchenko, P. Kurpas, M. Matalla, O. Krüger, J. Würfl: "Fabrication technology of GaN/AlGaN HEMT slanted sidewall gates using thermally reflowed ZEP resist and CHF3/SF6 plasma etching" Int. Conf. on Compound Semiconductor Manufacturing Technology (CS ManTech 2013), New Orleans, USA, May 13-16, paper 041 (2013).