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High frequency MMICs for THz-applications based on InP transferred substrate technology

Al Sawaf, Thualfiqar

The increasing demand for integrated circuits in the millimeter wave frequency range drives the semiconductor technologies towards down-scaling the active devices. The penalty of scaling is seen in the power-handling capabilities of the transistors, because breakdown voltage decreases when reducing dimensions. This leads to a major challenge when system functionality requires a certain power level, e.g., dictated by the range of a wireless link. In recent years, semiconductor technologies have demonstrated significant advances in transistor speed and power characteristics. GaAs HEMT, GaN HEMT and InP HBT and HEMT technologies yield highest power levels at high frequencies, while the Silicon-based technologies such as CMOS and particularly SiGe BiCMOS have also exhibited decent power performance through stacked transistor topologies. This work contributes to this topic. It reports on the analysis and design of W-band (75-110 GHz) power amplifiers in a transferredsubstrate InP DHBT technology for millimeter-wave applications. The transferred-substrate (TS) approach enables higher cut-off frequencies due to the reduced Cbc, compared to triple mesa structures of the same geometry, but the indirect access to the substrate implies a major challenge for power amplifiers in terms of heat sinking. To this end, a solution with an integrated diamond heat spreader is studied in this work. A more cost-effective variant featuring thermal vias is presented as well. To validate the analysis, a medium power amplifier cell has been realized using the TS process for both heat-sinking variants. To maximize output power, the MPA has been further developed into a high power amplifier (HPA) cell. The MPA with diamond heat spreader exhibits a saturated output power of 100 mW and and a maximum PAE of 21.5 % at 90 GHz, while the HPA achieves 200 mW with a peak PAE of 20 % in the same frequency band. Without diamond, one observes about 0.5 dB degradation in output power and looses about 5 percentage points in PAE. The second contribution in this work is the demonstration of a frequency doubler for G-band using the same TS technology. The doubler features a maximum output power of 10 dBm at 160 GHz with a record conversion gain of +4 dB with an output efficiency of 13 %. This part also includes a hetero-integrated version combining the benefits of InP performance and the high integration density of SiGe BiCMOS. A signal source that consists of a VCO in SiGe and a frequency doubler-amplifier chain in InP is presented as a hetero-integrated circuit with a peak output power of 7 dBm at 164 GHz.
Die Nachfrage nach integrierten Schaltkreisen im Millimeterwellenbereich steigt permanent. Um Schaltungen in diesem Frequenzbereich zu ermöglichen, ist eine Verkleinerung (downscaling) der charakteristischen Dimensionen der aktiven Bauelemente zwingend notwendig. Dadurch nimmt die Durchbruchspannung und damit die verfügbare Ausgangsleistung ab. Dies führt dann zu großen Herausforderungen, wenn die Systemfunktion einen bestimmten Leistungspegel erfordert, der beispielsweise durch die Reichweite einer Funkverbindung vorgegeben ist. In den letzten Jahren haben die Halbleitertechnologien deutliche Fortschritte bei der Geschwindigkeit und der möglichen Ausgangsleistung von Transistoren gemacht. GaAs-, GaN- und InP-HEMT- sowie InP-HBT-Technologien liefern höchste Leistungspegel bei hohen Frequenzen, während auch die auf Silizium basierenden Technologien, wie CMOS und insbesondere SiGe BiCMOS, durch gestapelte Transistortopologien beachtliche Leistungen ermöglichen. Die vorliegende Arbeit trägt zu diesem Thema bei. Sie stellt die Analyse und das Design von W-Band-Leistungsverstärkern (75-110 GHz) in einer Transfer-Substrat-InP-DHBT-Technologie für Millimeterwellenanwendungen vor. Der Transfer-Substrat (TS)-Ansatz ermöglicht aufgrund der reduzierten Basis-Kollektor-Kapazität im Vergleich zu den gängigen Mesa-Strukturen derselben Geometrie höhere Grenzfrequenzen. Der indirekte Zugang zum Substrat stellt jedoch große Herausforderungen an die Wärmeableitung bei Leistungsverstärkern. Zu diesem Zweck wird in der Arbeit auch eine Lösung mit einer integrierten diamantbasierten Wärmeableitung untersucht. Ebenfalls vorgestellt wird eine einfachere Variante mit thermischen Durchkontaktierungen. Zur Verifikation ist eine Verstärkerzelle mit mittlerer Ausgangsleistung (Medium Power Amplifier-MPA) für beide Entwärmungskonzepte sowie eine Verstärkerzelle mit hoher Leistung (HighPower Amplifier - HPA) realisiert worden. Der MPA mit diamantbasierter Wärmeableitung weist eine Sättigungsleistung von 100 mW und eine maximale PAE von 21,5 % bei 90 GHz auf, während der HPA 200 mW mit einer Spitzen-PAE von 20 % im gleichen Frequenzband erreicht. Im Vergleich dazu verschlechtert sich mit thermischen Durchkontaktierungen die Ausgangsleistung nur um etwa 0,5 dB und die PAE um etwa 5 Prozentpunkte. Der zweite Beitrag in dieser Arbeit ist die Demonstration eines Frequenzverdopplers für das G-Band unter Verwendung derselben TS-Technologie. Er liefert eine maximale Ausgangsleistung von 10 dBm, einen Ausgangswirkungsgrad von 13 % und einen hervorragenden Konversionsgewinn von +4 dB bei 160 GHz. Zu dieser Schaltung wurde auch eine heterointegrierte Version realisiert, die die InP-Leistungsvorteile mit der hohen III Integrationsdichte von SiGe BiCMOS kombiniert. Eine Signalquelle, die aus einem VCO in SiGe-Technologie und einer Frequenzverdoppler-Verstärker-Kette in InP-Technologie besteht, wird als heterointegrierte Schaltung mit einer Spitzenausgangsleistung von 7 dBm bei 164 GHz vorgestellt.