High Electron Mobility Transistor auf GaN-Basis #####

Das Konzept „System-in-a-Package“ mit der Hybrid-Integration eines AlGaN/GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor) auf einem kostengünstigen Substrat mit guter thermischer Leitfähigkeit bietet eine Reihe von Vorteilen, z.B. die Möglichkeit des Einsatzes kostengünstiger Substrate für die Züchtung von GaN-Epitaxialwafern bei gleichzeitiger Nutzung von Passivbauteilen in hoher Qualität. Gute Aussichten für HF-Leistungsverstärker.

Das Konzept „System-in-a-Package“ mit der Hybrid-Integration eines AlGaN/GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor) auf einem kostengünstigen Substrat mit guter thermischer Leitfähigkeit bietet eine Reihe von Vorteilen, z.B. die Möglichkeit des Einsatzes kostengünstiger Substrate für die Züchtung von GaN-Epitaxialwafern bei gleichzeitiger Nutzung von Passivbauteilen in hoher Qualität. Gute Aussichten für HF-Leistungsverstärker.

INHALT:
Die technischen Herausforderungen von GaN-Systemen
GaN für Mikrowellen-IC-Technologie?
System-in-a-Package für die Integration von GaN-HEMTs
GaN-Hybridintegration auf einem AlN-Substrat
Nachweis der Machbarkeit
Von kleinen Bausteinen zur Multi-Finger-Integration
Ermutigende Ergebnisse für die Fertigung
Weiterer Forschungsbedarf besteht
Literatur
Autoren

Gallium-Nitrid (GaN) spielt vor allem in der Optoelektronik, bei hochintegrierten optischen Speichermedien und bei Halbleiter- Lichtquellen eine wichtige Rolle. Elektronische Bauteile auf der Basis dieses Halbleitermaterials mit großem Bandabstand gewinnen auch für viele andere Anwendungen an Bedeutung wie z.B. in der Telekommunikation, der Automobilelektronik und der Leistungswandlertechnik. Beste Perspektiven bietet GaN nicht nur in Raumfahrt- und Militärelektronik (die heute den Anstoß für die meisten Entwicklungen geben), sondern auch für Hochleistungsverstärker, z.B. für 3G/4GBasisstationen. Die entscheidenden Vorteile der GaN-Technologie für die HF-Leistungselektronik sind eine Kombination aus höherer Ausgangs- Leistungsdichte (sogar bei höheren Frequenzen), höherer Ausgangs-Impedanz (einfachere Anpassung), größerer Bandbreite und einer besseren Linearität als bei anderen, bestehenden Technologien (wie Si-LDMOS oder GaAs-p-HEMT).

Diese Merkmale sind direkt in den physikalischen Eigenschaften des Halbleiters begründet: Der große Bandabstand bedingt ein elektrisches Durchbruchs-Feld, das zehnmal größer ist als bei Silizium. Dies ermöglicht einen Transistorbetrieb mit hoher Vorspannung (>50 V). Die Möglichkeit einer Anordnung piezoelektrischer Hetero-Strukturen mit der spontanen Bildung eines zweidimensionalen Elektronen-Gases (2DEG), die eine hohe Elektronen-Mobilität und eine hohe Stromdichte sowie Elektronen- Sättigungsgeschwindigkeit bieten, erklärt die beeindruckenden Betriebsdaten von „AlGaN/GaN High Electron Mobility“-Transistoren (HEMTs) vom L-Band bis zum K-Band.

Die technischen Herausforderungen von GaN-Systemen

Um jedoch von beeindruckendem Bauteilverhalten bis zu einer echten Markt- Durchdringung zu gelangen, muss man sich zuvor mit der Integration von HEMT-Bauteilen in Schaltungen befassen und dabei auch Kostenaspekte beachten. Wireless-Telekommunikationssysteme von morgen benötigen ein sehr hohes Maß an Integration (kleinere Abmessungen, bessere Leistungsdaten). Dies lässt sich nur durch die Miniaturisierung und Integration von Passiv-Komponenten über kurze Verbindungsleitungen zum aktiven Bauteil erreichen.

Die Wärmeableitung im Zusammenspiel mit dem für HF-Anwendungen gewünschten hohen Maß an Integration ist bei HF-Leistungsstufen sehr problematisch. Die hohen, mit AlGaN/ GaN-HEMT-Komponenten erreichbaren Stromdichtewerte erfordern die Entwicklung innovativer, thermisch geeigneter Lösungen zur Integration von Aktiv- und Passivbauteilen in HFAnwendungen.