PowDeR/Projects/FPFET - MIUR PRIN 2005
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I moderni sistemi di telecomunicazione wireless per applicazioni sia commerciali (amplificatori di potenza per stazioni basi della telefonia cellulare, sistemi anti-collisione, ecc.) che militari (radar, missile seekers, sistemi di jamming) aumentano costantemente la propria complessità e le specifiche in termini di prestazioni RF richieste ai transistor di potenza. I semiconduttori composti sono da sempre stati la scelta obbligata per la realizzazione di transistor ad elevate prestazioni di potenza RF. Sfruttando le superiori proprietà dei materiali (come mobilità elettronica, velocità di saturazione e campo critico di breakdown) l’arseniuro di gallio (GaAs) prima e il nitruro di gallio (GaN) ora sono le tecnologie di punta per quelle applicazioni nelle quali sono richiesti transistor ad alte prestazioni [1]. D’altra parte, i transistor LDMOS in silicio (Si) hanno conquistato quote dominanti del mercato essenzialmente grazie alla maggiore economicità di fabbricazione [1]. Va però considerato che gli LDMOS sono stati capaci di raggiungere adeguate prestazioni di potenza RF solo a spese di un considerevole aumento della complessità della struttura e del processo. Per raggiungere le alte potenze ed alte efficienze richieste, il funzionamento ad alta tensione è una delle soluzioni maggiormente desiderabili. Il funzionamento ad elevate tensioni ha i seguenti vantaggi. 1) Minori correnti di drain massime necessarie per ottenere la potenza di uscita richiesta: ciò si traduce in dispositivi con minore periferia e maggiori impedenze di ingresso e di uscita (cosa che a sua volta consente di ridurre le perdite nei circuiti di matching e di estendere la banda di frequenza). 2) Maggiore power-added efficiency (PAE): grazie al maggiore swing di tensione durante il funzionamento RF si riduce l’effetto sulla PAE della tensione di ginocchio delle caratteristiche di uscita. 3) Minore dissipazione di potenza nelle alimentazioni dc grazie alla minore corrente dc. 4) Nessun bisogno di conversione dc-dc nelle applicazioni dove le alimentazioni devono operare a 28-48 V (come nelle stazioni base). Sfortunatamente i transistor ad effetto di campo (FET) in GaAs o GaN sono affetti da un compromesso tra potenza di uscita e tensione di breakdown. L’origine di questo compromesso viene generalmente attribuita all’effetto dei livelli profondi localizzati alla superficie del dispositivo tra gate e di drain [2-4]. In condizioni di off-state, le trappole superficiali si caricano negativamente e ciò riduce il picco di campo elettrico all’estremità del gate verso il drain e quindi aumenta la tensione di breakdown. Tuttavia, quando il dispositivo è portato in on-state durante lo sweep RF la risposta ritardata delle trappole superficiali “congela” la modulazione del canale nelle regioni di accesso. Ciò si traduce in una riduzione della corrente RF massima e in un aumento della tensione RF di ginocchio e quindi in un degrado della potenza di uscita e dell’efficienza [3,5]. Questo effetto è generalmente detto dispersione dc-RF o collasso della corrente di drain. Una tecnica comune per aumentare la tensione di breakdown nei FET in semiconduttori composti è quella di ottimizzare la geometria del/i recesso/i di gate. Tuttavia, proprio a causa del compromesso breakdown-potenza di uscita, questa tecnica dà luogo a miglioramenti limitati della tensione di breakdown. Inoltre, la passivazione superficiale mediante SiN, che si è dimostrata efficace nel ridurre la dispersione dc-RF, generalmente provoca una riduzione della tensione di breakdown. Recentemente, l’introduzione di un field plate ha reso possibili miglioramenti eclatanti delle prestazioni di potenza dei FET in GaAs e GaN. Il field plate (FP) è essenzialmente un elettrodo MIS aggiuntivo piazzato sulla superficie della passivazione tra gate e drain e connesso al gate stesso. L’effetto benefico del FP sulle prestazioni di potenza è duplice: 1) grazie allo svuotamento indotto nel semiconduttore sottostante, il FP riduce il picco di campo elettrico gate-drain, con ciò aumentando la tensione di breakdown; 2) i fenomeni di dispersione dc-RF risultano fortemente limitati se non eliminati nei dispositivi con FP, grazie alla più efficace modulazione della carica intrappolata superficiale e/o alla ridotta iniezione di carica nelle trappole superficiali. Come conseguenza degli effetti 1) e 2), il compromesso tra potenza di uscita e tensione di breakdown risulta rilassato nei FET con FP e i vantaggi del funzionamento ad alta tensione possono essere colti pienamente, consentendo di ottenere un’elevata densità di potenza e un’elevata PAE ad una elevata tensione di funzionamento. L’introduzione di un FP in un FET di potenza per microonde è stata descritta per la prima volta da Asano et al., i quali hanno realizzato un HFET AlGaAs-GaAs capace di una densità di potenza di 1.7 W/mm con un guadagno di 15 dB e una PAE del 52% a 1.5 GHz e 35 V [6]. Lo stesso dispositivo, ottimizzato per il funzionamento W-CDMA, ha raggiunto, a 2.14 GHz e 24 V, una potenza di uscita di 120 W (in un dispositivo con periferia totale di gate di 256 mm) con un guadagno di 14.2 dB e una PAE del 42% [7]. Quando applicato agli HEMT in GaN, il FP ha consentito di ottenere prestazioni di potenza impressionanti. Ando et al. hanno descritto un HEMT AlGaN-GaN su substrato di SiC e con periferia di gate di 1 mm caratterizzato a 4 GHz e 65 V da una densità di potenza di 10.3 W/mm con una PAE del 47% ed un guadagno di 18 dB [8]. Chini et al. hanno realizzato un HEMT AlGaN-GaN con FP che ha raggiunto la densità di potenza record (per HEMT su zaffiro) di 12 W/mm a 4 GHz (con una PAE del 58% ad una tensione drain-source di 50 V), un valore più che doppio rispetto a quello di HEMT senza FP fabbricati sugli stessi substrati [9]. Ottimizzando una struttura simile di FP, Wu et al. hanno dimostrato GaN HEMT su SiC con periferia di 246 um capaci di fornire una densità di potenza fino a 32 W/mm (valore che è attualmente la più alta densità di potenza mai raggiunta da un transistor per RF) con una PAE del 55% a 4 GHz e 120 V [10]. Okamoto et al. hanno realizzato GaN HEMT su substrati di SiC con una periferia totale di 48 mm, i quali hanno raggiunto una potenza totale record per un FET a singolo chip di 197 W, con un guadagno lineare di 10.1 dB e una PAE del 67% a 2 GHz e 48 V [11]. Questi eclatanti miglioramenti della potenza di uscita hanno avuto come contropartita una riduzione delle frequenze di taglio ft e fmax e del guadagno di potenza, causata dall’aumento della capacità di feedback gate-drain associata all’introduzione del FP. Va tuttavia considerato che l’influenza del FP sulla capacità gate-drain diventa sempre meno significativo tanto maggiore è la tensione di drain applicata. Ciò a causa dell’estensione della regione di svuotamento gate-drain verso l’elettrodo di drain, che rende il contributo del FP alla capacità di gate-drain via via meno importante [11]. Di conseguenza nei dispositivi con FP ft e fmax aumentano all’aumentare della tensione drain-source e ciò permette di compensare almeno parzialmente l’effetto dell’introduzione del FP. Inoltre è stata recentemente proposta una modifica del FP che consente di ottenere un significativo aumento del guadagno RF rispetto a strutture con FP standard: se invece che essere connesso al terminale di gate, il FP viene terminato al source, la funzione del FP viene conservata (poiché lo swing di tensione tra gate e source è molto più piccolo di quello tra drain e source) e al tempo stesso non si aumenta la capacità di feedback (la capacità tra FP e canale si somma infatti alla capacità drain-source, la quale, almeno nelle applicazioni a banda stretta, può essere compensata dalla rete di matching di uscita). Il concetto di FP terminato al source è stato dapprima proposto per GaN HEMT adatti a funzionare da interruttori ad alta tensione nei convertitori switching [12,13] e successivamente applicato ad HEMT di potenza RF da Wu et al., i quali hanno dimostrato AlGaN-GaN HEMT su substrati di SiC con un guadagno di 21 dB (cioè 5-7 dB più elevato di quello di HEMT con FP connesso al gate realizzati sugli stessi substrati), una densità di potenza di 20.5 W/mm ed una PAE del 60% a 4 GHz e 118 V [14]. E’ stato infine suggerito che l’introduzione del FP abbia effetti benefici anche rispetto ai seguenti due ulteriori aspetti di cruciale importanza per le applicazioni RF: (i) la non-linearità della conduttanza di uscita può essere ridotta, cosa che consente di ottenere una minore distorsione, come si è dimostrato sia per FET in GaAs [15] che in GaN [16,17]; (ii) la degradazione da stress RF è risultato fortemente attenuata in GaN HEMT con FP e struttura epitassiale ottimizzati [18]. I risultati descritti dimostrano come sfruttando opportune modifiche di processo i FET in GaAs e soprattutto quelli in GaN possono raggiungere prestazioni di potenza RF difficilmente avvicinabili dai dispositivi in Si. Per quanto riguarda l’impatto di mercato di queste due tecnologie, si può dire che il GaAs è allo stato attuale ancora la scelta preferibile per via dell’affidabilità raggiunta grazie ai 20-30 anni di ricerca industriale e accademica che ha ormai alle spalle. Ciò significa che un HEMT in GaAs dotato di un FP ottimizzato potrebbe impattare immediatamente il mercato delle applicazioni RF sia commerciali che militari. D’altra parte il GaN promette prestazioni superiori. Tuttavia esso soffre ancora di problemi di affidabilità e quindi il suo time-to-market si prospetta essere più lungo. Per questi motivi, sia i FET in GaAs che quelli in GaN sono presi in considerazione in questo progetto, ponendosi quest’ultimo come obiettivo quello di fare avanzare lo stato dell’arte nazionale nel campo delle tecnologie di potenza RF sia a breve che a medio/lungo termine. A questo scopo, il progetto si basa sul supporto esterno di Alenia Marconi Systems (AMS), la quale fabbricherà gli HEMT in GaAs e GaN progettati nel corso del progetto.
Descrizione della Ricerca eseguita e dei risultati ottenuti