Keysights Indium-Phosphid-IC-Technologie Für Messgeräte jenseits 100 GHz

InP-ICs messen im Frequenzbereich bis über 100 GHz.
InP-ICs messen im Frequenzbereich bis über 100 GHz.

Schnittstellen der nächsten Generation stellen höhere Anforderungen an die für Charakterisierung und Test verwendeten Messgeräte: größere Geschwindigkeit, geringeres Rauschen, geringere Leistungsaufnahme und größerer Dynamikbereich. InP-ICs ermöglichen Messgeräte für Frequenzen bis über 100 GHz.

Zu den neuen ultraschnellen Schnittstellen zählen beispielsweise der kommende Standard IEEE 802.3bs für 400 Gbit/s, kohärente optische Modulation im Terabitbereich und diverse Mobilfunktechnologien der 5. Generation (5G).

Ingenieure, die sich in diesen Frequenzbereichen bewegen, benötigen Messgeräte, die mit Frequenzen über 60 GHz und mit Datenraten über 32 Gbit/s zurechtkommen. Diese Geräte müssen weiterhin kohärente Modulationsformate in MIMO-Übertragungstechnik sowohl senden als auch empfangen können. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit solcher Messgeräte sind die Eigenschaften der analogen Eingangsbaugruppe, insbesondere der ICs, die die analogen Signale zwischen der HF-Eingangsbuchse und dem A/D-Umsetzer verarbeiten.

Bereits vor einigen Jahren hat Keysight Technologies mit dem Einsatz von Indium-Phosphid- (InP) Halbleitern in den Eingangsstufen einen neuen Weg beschritten [1]. ICs, die im InP-Prozess der ersten Generation von Keysight hergestellt wurden, finden sich heute in den Eingangsstufen vieler Messgeräte, unter anderem auch in den Echtzeitoszilloskopen von Keysight [2]. Schon im letzten Jahr hat Keysight neue Echtzeit- und Äquivalenzzeitoszilloskope der nächsten Generation angekündigt [3], in denen ICs in InP-Technologie der zweiten Generation den Weg zu Hochleistungsmessgeräten weisen, die Frequenzen bis über 100 GHz beherrschen.

Ein näherer Blick auf die InP-Technologie

Bipolare Transistoren mit Heteroübergängen (HBT Hetero-Junction Bipolar Transistors) bieten prinzipbedingt zahlreiche Vorteile, insbesondere hohe HF-Leistung und -Verstärkung pro Flächeneinheit, enge Stromverstärkungs- und Schwellenspannungstoleranzen, große Transkonduktanz und geringes 1/f-Rauschen. Die Materialeigenschafen von InP ermöglichen sehr schnelle HBTs mit niedrigen Durchlasswiderständen, hohen Durchbruchspannungen und halbisolierenden Substraten.

Diese vorteilhaften Eigenschaften ermöglichen die Entwicklung von messgerätespezifischen ICs mit geringem Eigenrauschen, großem Dynamikbereich und einem Frequenzbereich bis über 100 GHz. Bauteilentwickler und Prozessingenieure in Keysights High Frequency Technology Center haben den ursprünglichen InP-Prozess erfolgreich skaliert [1]. Sie verringerten die Strukturbreite, verbesserten das epitaxiale Design und optimierten Metallisierungen und Dielektrika. Der Prozess der zweiten Generation erreicht Verzögerungszeiten in der Größenordnung von 2 ps und eine Grenzfrequenz (fmax) bis hinauf zu 600 GHz. Dabei bleibt die Durchbruchspannung über 7 V, wodurch man große Ausgangsspannungen und eine Stromverstärkung über 50 erreichen kann; das garantiert ein robustes IC-Design. Das Layout lässt sich in weiten Grenzen variieren, sodass man fast beliebige Kombinationen von hoher Geschwindigkeit, geringem Rauschen und geringer Stromaufnahme erreichen kann. Man kann in diesem Prozess HBTs, Dioden, Dünnschichtwiderstände und -kapazitäten erzeugen, was wiederum die Herstellung von Digital-, Präzisions-Analog- und Mixed-Signal-ICs für die nächste Messgerätegeneration ermöglicht. In dem Drei-Zoll-Prozess kann man bei geringen Entwicklungs- und Herstellungskosten kleine bis mittlere Stückzahlen von ICs mit unterschiedlichen Funktionen auf ein und demselben Wafer herstellen.

Keysight hat die Eigenschaften der HBTs speziell auf die Anforderungen von Messgeräten optimiert. Das Epitaxialdesign hat einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines HBT. Um die geforderten Eigenschaften zu erzielen, müssen verschiedene Parameter gegeneinander abgewogen werden. Um die Auswirkungen der unvermeidlichen Kompromisse abschätzen zu können und schließlich zu einem für Messgeräte-Anwendungen optimalen Bauteil zu gelangen, führte man bei Keysight umfangreiche Simulationen unter Verwendung zweidimensionaler physikalischer Modelle durch.

Die drei wesentlichen Elemente eines HBT (nämlich Emitter, Basis und Kollektor) wurden einzeln optimiert. Für Emitter und Kollektor wählte man Dotierung und Dicke so, dass man den besten Kompromiss zwischen Grenzfrequenz, Reihenwiderstand und Durchbruchspannung erzielte. Für die Basis betrifft der wichtigste Kompromiss den Basiswiderstand und die Stromverstärkung β. Einerseits führt ein kleinerer Basiswiderstand zu höherer Grenzfrequenz, andererseits braucht man für einen robusten Betrieb des IC über dessen gesamte Lebensdauer hinweg eine bestimmte minimale Stromverstärkung. Bei Keysight hat man die epitaxiale Struktur der Basis so verändert, dass der Elektronenfluss durch die Basis beschleunigt wurde. Dieser Ansatz bringt im Vergleich zum herkömmlichen Epitaxialdesign für einen gegebenen Basis-Flächenwiderstand eine höhere Stromverstärkung (siehe Bild 1).

Enge Prozesstoleranzen und hohe Zuverlässigkeit des Prozesses sind unabdingbar für eine Technologie, die in zahlreichen IC- und Messgeräte-Designs zur Anwendung gelangen soll. Von Anbeginn der Entwicklung legte das Entwicklerteam besonderes Augenmerk auf Fertigungsausbeute, Praktikabilität der Fertigung und Zuverlässigkeit. Im Rahmen der Prozessoptimierung wurden zahlreiche Fertigungslose und Wafer hergestellt und einer eingehenden Ausbeute-Analyse unterzogen.

Weiterhin wurden die Prozesse auf möglichst geringen Verschleiß der ICs, möglichst wenig Frühausfälle und möglichst wenig Elektromigration an den Anschlüssen optimiert. Das Resultat ist eine sehr geringe Ausfallrate von weniger als 0,4 % Gesamtausfällen in 60 Jahren Messgeräte-Nutzungsdauer (Bild 2). In der neuen InP-Technologie können auch Bauteile gefertigt werden, die intern gegen elektrostatische Entladungen bis über 2 kV geschützt sind.