Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2479
Main Title: High-Speed InP Heterojunction Bipolar Transistors and Integrated Circuits in Transferred Substrate Technology
Translated Title: Höchstfrequenz InP Hetero-Bipolar-Transistoren und integrierte Schaltungen in Transfer Substrat Technologie
Author(s): Krämer, Tomas
Advisor(s): Tränkle, Günther
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Entwicklung von Transistoren mit mehreren hundert Gigahertz (GHz) Betriebsfrequenz erschließt neue Anwendungen bei bildgebenden Systemen und in der breitbandigen Datenüber-tragung. Dank ihrer hervorragenden Materialeigenschaften nehmen InP-basierte Transistoren mit Grenzfrequenzen jenseits von 400 GHz eine Vorreiterrolle bei Höchstfrequenzanwendungen ein. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Verfahren zur Herstellung von InP/InGaAs/InP Doppel-Hetero-Bipolar-Transistoren (DHBT) entwickelt. Dabei wurden die Höchstfrequenzeigenschaften der Bau-elemente mittels einer 3" Substrat-Transfer-Technologie (TS) optimiert. Diese ermöglicht den zueinander ausgerichteten, lithographischen Zugang zur Vorder- und Rückseite der DHBT Schicht-struktur. So kann ein linearer Aufbau des Bauelementes realisiert werden, ohne die dominanten parasitären Elemente herkömmlicher HBT Zuschnitte in Kauf nehmen zu müssen. Aus Kleinsignal-extraktionen ergibt sich eine Halbierung der Basis – Kollektor Kapazität bezüglich nahezu bau-gleicher DHBTs, bei denen einmal lediglich der Kollektor unter der Basismetallisierung nicht ent-fernt wurde. Der wesentliche Schritt, der den direkten Zugang zuerst zur Vorder- und anschließend zur Rückseite gewährleistet, ist der Transfer des epitaktischen Schichtsystems vom 3" InP Wafer auf einem unabhängigen Trägersubstrat. Dazu wurde ein robustes Klebeverfahren mittels Benzo-cyclobuten (BCB) entwickelt, das eine homogene Kompositmatrix aus funktionaler DHBT Struktur und Trägersubstrat liefert, ohne durch Einschlüsse oder Bruchstellen in der Epitaxie limitiert zu sein. Einhergehend zur innovativen Formgebung der Transistoren werden Mikrostreifenleiterbahnen bereitgestellt. Im Schaltungsverbund unterstützt die dreidimensionale Integration von passiven Elementen und Komponenten auf dem Transfersubstrat die Funktionalität der Transistoren. Die optimierte Bauelementtopologie schlägt sich in exzellenten Leistungsmerkmalen nieder. Transistoren mit einer Emitterfläche von 0.8 × 5 μm2 weisen ein fT = 420 GHz und fmax = 450 GHz bei einer Durchbruchsspannung von BVCEO > 4.5 V auf. Sie übernehmen damit die technologische Führerschaft doppelseitig prozessierter Höchstfrequenztransistoren. Sonstige HBTs mit vergleich-baren Emitterbreiten weisen deutlich geringere Werte von fT und fmax auf. Gleichzeitig besitzen die gefertigten Transistoren Arbeitspunkte jenseits von 100 mW und eine Ausgangsleistung Pout > 13.5 dBm bei 77 GHz im Sättigungsbetrieb. Das sind Spitzenwerte für Transistoren mit Grenzfrequenzen jenseits von 400 GHz. Desweiteren konnte die Tragfähigkeit ihrer Stromdichte auf jC > 18 mA/µm2 bezüglich publizierter TS HBTs versechsfacht werden. Dies ist ein wichtiger Beitrag, um die hervorragenden Hochfrequenz- und Leistungskennzahlen der Transistoren zu erzielen. Konsistente Klein- und Großsignalmodellierung gemeinsam mit hoher Ausbeute und homogenen Bauelementeigenschaften über den 3" Wafer zeigen das Potential der TS Technologie für den Schaltungsentwurf. Deshalb wurde der TS DHBT Prozess zu einer MMIC-kompatiblen Techno¬logie mit passiven Schaltungselementen weiterentwickelt. Vorabsimulationen und Modellierungen der passiven Elemente wurden zusammen mit den Transistormodellen zum Schaltungsentwurf genutzt und in anschließenden Messungen bestätigt. So sind Wanderwellenverstärker in TS Technologie konzipiert und mit einer Breitbandverstärkung von G = 12.8 dB und 3-dB Grenzfrequenz bis zu fc = 70 GHz gefertigt worden – bis dato unerreicht für TS Breitbandverstärker.
Research in high-speed transistors is driven by applications in imaging and wide band commu-nication. Recent advances of InP-based transistors with several hundred gigahertz (GHz) operating frequencies qualify them for key components in such systems. Their outstanding properties make them the material system of choice for transistors exceeding 400 GHz. This work examines design and performance issues of InP/InGaAs/InP double heterojunction bipolar transistors (DHBT). A transferred substrate (TS) technology has been developed to optimize high frequency performance. The 3" wafer-level process provides lithographic access to both the front- and backside of DHBT epitaxy aligned to each other. The resulting linear device set-up eliminates dominant transistor parasitics and relaxes design trade-offs. Small-signal extractions reveal a 50% reduced collector – base capacitance, when compared to equivalent DHBTs without collector backside removal. The essential step for gaining frontal access to both sides of the epitaxial structure is the substrate transfer. Therefore, a robust adhesive wafer bonding procedure via benzocyclobutene (BCB) has been developed. It yields for the first time a homogenous, crack and void-free composite matrix of functional InP DHBT epitaxy, transferred in a wafer-level scale. Along with the innovative TS DHBT set-up, a microstrip environment is provided, and the three-dimensional integration of passive elements and components on the transfer wafer supports functionality of the active devices. The optimized device topology manifests in excellent device performance. Transistors of 0.8 × 5 μm2 emitter area feature fT = 420 GHz and fmax = 450 GHz at breakdown voltages BVCEO > 4.5 V. The devices define the cutting edge of double side processed millimeter-wave transistors. All other HBTs of comparable emitter width show significantly lower fT and fmax . The more than six-fold increase in current density to 18 mA/µm2 overcomes the limitation of previously reported TS HBTs and is an important contribution to outstanding high frequency and power performance of the devices. Transistors of 0.8 × 5 μm2 emitter area combine very high frequency performance with saturated output power Pout > 13.5 dBm at 77 GHz and DC power handling over 100 mW. To the author’s knowledge, these are record values for transistors with fT and fmax over 400 GHz. In addition, consistent small- and large-signal modeling, together with high yield and homogeneous device characteristics over the 3" wafer are demonstrated. Finally, TS processing has been developed to a fully monolithic microwave integrated circuit (MMIC) compatible technology. Predictive simulation and modeling of passive elements are consistent with final measurements. Together with the transistor models, they have been utilized for circuit design. Traveling-wave amplifiers (TWA) have been designed and realized in the TS environment. They demonstrate a broadband gain G = 12.8 dB within 3-dB cutoff frequency up to fc = 70 GHz. This is the highest proven bandwidth of a broadband amplifier in TS technology.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-26706
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2776
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2479
Exam Date: 3-May-2010
Issue Date: 14-Jun-2010
Date Available: 14-Jun-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): HBT
Heterogene Integration
InP
MIMIC
Substrat-Transfer
HBT
Heterogeneous integration
InP
MIMIC
Wafer bonding
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/
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