Neue Klasse von THz MMICs – Prozess am FBH etabliert
Abb. 1. Blockschaltbild und Foto der kombinierten 164 GHz Signalgenerator-Schaltung.
Abb. 2. Simulierter Konversionsgewinn und Ausgangsleistung bei der ersten und zweiten Harmonischen als Funktion der Eingangsleistung. Die Eingangsfrequenz beträgt 82 GHz, die vom VCO abgegebene Leistung liegt bei ~ 6 dBm.
Das FBH hat einen InP-basierten Prozess mit Betriebsfrequenzen bis zum 250 GHz-Bereich entwickelt, der auf voll prozessierten BiCMOS Wafern betrieben werden kann. Dieser Heterointegrations-Ansatz der InP-on-BiCMOS-Halbleitertechnologie auf Wafer-Level vereint die Vorteile von III/V- und Si-Technologie. Der neue Prozess ist das Ergebnis der Kooperation der Leibniz-Institute FBH in Berlin und IHP in Frankfurt/Oder und ermöglicht eine neue Klasse von Hochleistungs-MMICs. Die Betriebsparameter der Einzeltechnologien sind der SiGe-BiCMOS-Prozess des IHP in 0,25 µm-Technologie mit npn-HBTs bis zu fT/fmax = 180/220 GHz und die Transfersubstrat (TS)-InP-DHBT-Technologie am FBH mit fT/fmax-Werten bis 359/344 GHz für einen 1-Finger-HBT mit einer Emitterfläche von 0,8 × 5 μm2.
Erste MMIC-Schaltungen, die auf Basis dieser Technologie realisiert wurden, zeigen hervorragende Eigenschaften. Die Schaltungen bestehen einerseits aus spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO) in SiGe-BiCMOS-Technologie für die Frequenzen 48 GHz und 82 GHz und andererseits aus InP-Frequenzvervielfachern und -Leistungsverstärkern bis zu 246 GHz. Als Beispiel dient hier ein VCO in BiCMOS-Technologie bei 82 GHz, integriert mit einem InP-DHBT-Frequenzverdoppler und Leistungsverstärker. Abb. 1 zeigt das Blockschaltbild und ein Foto der heterointegrierten Schaltung. Der VCO der kombinierten Schaltung arbeitet bei etwa 82 GHz mit einer Ausgangsleistung von 7,8 dBm, während der InP-Frequenzverdoppler, gespeist durch den VCO, eine Ausgangsleistung von 0 dBm bei 164 GHz aufweist.
Eine wesentliche Komponente der Heterointegration stellt der BiCMOS-InP-Übergang dar. Miniaturisierte Strukturen und eine Struktur-Optimierung mit Hilfe von EM-Simulationen resultieren in einer Anpassung besser als 12 dB und einer Einfügungsdämpfung besser als 1,0 dB breitbandig im Frequenzbereich bis 220 GHz.
Die TS-InP-DHBT-Teilschaltung besteht aus einem Frequenzverdoppler bei 164 GHz und einem 2-stufigen Leistungsverstärker. Alle drei Stufen verwenden einen 2-Finger-Transistor mit einer Emittergröße von 0,8 × 5 μm2.
Abb. 2 zeigt den Konversionsgewinn und die Ausgangsleistung bei der zweiten Harmonischen. Die Ausgangsleistung bei der unerwünschten ersten Harmonischen ist recht konstant bei 0-2 dBm für Eingangsleistungen im Bereich von 0 bis 10 dBm. Bei der vom VCO erwarteten Ausgangsleistung von 6-7 dBm liegt die Ausgangsleistung des Frequenzverdopplers bei der zweiten Harmonischen bei 0 dBm.
Die gemessene Ausgangsleistung der gesamten Schaltung beträgt 0 dBm, was gut mit den berechneten Werten aus Abb. 2 übereinstimmt. Dies sind die ersten MMIC-Schaltungen dieser Art in dem betrachteten Frequenzbereich. Die erzielten Schaltungseigenschaften stehen denen vergleichbarer Schaltungen im G-Band nicht nach, die rein in InP-Technologie realisiert wurden.
Publikationen:
T. Jensen, T. Al-Sawaf, M. Lisker, S.Glisic, M. Elkhouly, T. Kraemer, I. Ostermay, C. Meliani, B. Tillack, V. Krozer, W. Heinrich, "A 164 GHz Hetero-Integrated Source in InP-on-BiCMOS Technology", Proc. European Microwave Conf. 2013, 7-11 Oct. 2913, Nuernberg, German.
T. Kraemer, I. Ostermay, T. Jensen, T. K. Johansen, F.-J. Schmueckle, A. Thies, V. Krozer, W. Heinrich, O. Krueger, G. Traenkle, M. Lisker, A. Trusch, P. Kulse, B. Tillack, "InP-DHBT-on-BiCMOS Technology with fT / fmax of 400 / 350 GHz for Heterogeneous Integrated Millimeter-Wave Sources", IEEE Trans. Electron. Dev., Vol. 60, pp. 2209-2216, 2013.