Verbesserte Wärmeabfuhr bei InP-Transistoren – Basis für effizientere und neuartige HF-Leistungsschaltungen
Hohe HF-Ausgangsleistung und hohe Effizienz sind die Schlüsselfaktoren für die Realisierung kostengünstiger Subsysteme im mm-Wellenbereich zwischen 100 und 300 GHz. Sie ermöglichen Anwendungen wie beispielsweise Sicherheitsscanner, Spektroskopie, hochauflösende Radar und medizinische und zahnmedizinische Bildgebung. Durch die Kombination von hoher Durchbruchspannung und hoher Elektronengeschwindigkeit eröffnen Indiumphosphid (InP) Doppel-Hetero-Bipolar-Transistoren (DHBTs) die Chance, analoge HF-Leistungs-ICs bei 100 - 300 GHz und darüber zu realisieren. Allerdings wird die Leistungsfähigkeit der InP-DHBTs durch den Wärmewiderstand Rth begrenzt. Die Verlustwärme muss effektiv aus dem Transistor entfernt werden, um die Temperatur im Inneren des InP-HBTs für einen zuverlässigen Betrieb auf weniger als 125° C zu begrenzen. Weiterhin sinken mit steigender Temperatur die HF-Verstärkung und Transistoreffizienz.
Im Rahmen des BMBF-Forschungsvorhabens "Aufbau- und Verbindungstechnik für die Terahertz-Elektronik (AVTE)" (Referenz No.16V0060) wurde am FBH eine verbesserte Wärmeabfuhr aus dem aktiven Bereich und der Peripherie der InP-DHBTs entwickelt [1]. Dabei wurde eine Diamantschicht, die als Wärmeverteiler fungiert, zum InP-DHBT Transfer-Substrat Prozess des FBH hinzugefügt. Die resultierende MMIC-Integration umfasst drei Schichten aus Verbindungsmetall, eine Masseebene aus dickem Gold, InP-DHBTs sowie Kondensatoren und Widerstände, die alle in BCB eingebettet sind. Keramisches AlN wurde aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit (170 W∙m-1∙K-1) und niedrigen Mikrowellenverluste (siehe Abb. 1) als Träger-Substrat verwendet.
Diamant hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit: Für die 10 µm dicke nanokristalline Diamantschicht haben wir eine Wärmeleitfähigkeit von 600 bis 800 W m-1 K-1 bestimmt, im Vergleich dazu hat beispielsweise Silizium 130 W m-1 K-1. Durch die Diamant-Integration war es möglich, den Rth der InP-DHBTs bis etwa 1 K/mW zu senken, im Vergleich zu 4 K/mW für einen InP-DHBT Baseline-Prozess ohne Wärmemanagement (siehe Abb. 2). Außerdem zeigen die Diamantfilme bis zu THz-Frequenzen nur eine sehr geringe Verlusttangente und stellen daher ein perfektes Dielektrikum für Hochleistungs-Millimeterwellen-Anwendungen dar.
Diese Verbesserung ermöglicht es prinzipiell, die Leistungsdichte der InP-DHBTs unter Beibehaltung der gleichen Sperrschichttemperatur auf mehr als das Dreifache zu erhöhen. Eine höhere Ausgangsleistung des Einzeltransistors ist ein Schüssel für effiziente HF-Leistungsschaltkreise. Obwohl die Ausgangsleistung von Schaltungen durch Parallelschaltung von Transistoren erhöht werden kann, sind diese HF-Leistungskombinationsschemata in der Regel nicht sehr breitbandig und führen zu Verlusten.
Entscheidend an der Diamant-Integration des FBH ist, dass die Wärme vom "heißen" Kollektorende des InP-DHBT direkt abgeführt wird, ohne dass eine Verbindung dieser Leitung zur HF-Masse besteht. Mittels S-Parametermessungen im Frequenzbereich bis 110 GHz wurden die Stromverstärkungs-Transitfrequenz (ft) und die maximale Oszillationsfrequenz (fmax) für Ein-Finger-HBTs mit 0,8 × 5 µm2 Emitterfläche bestimmt. Erwartungsgemäß zeigt die HF-Leistung nur eine leichte Abnahme infolge der Verbindung des Kollektors über ein thermisches Via mit der Diamantschicht auf der Oberseite des Transistors. Bei IC = 20 mA und VCE = 1,5 V sanken die durchschnittliche fT von 358 GHz auf 321 GHz und die durchschnittliche fmax von 329 GHz auf 321 GHz nach Diamant-Integration. Die DC-Kurven zeigen eine verbesserte Transistorstabilität durch die Diamant-Integration. Der maximale Kollektorstrom erhöht sich durch Diamant von 20 mA auf 25 mA für ein 1-Finger-HBT. Abb. 4 zeigt einen Ausschnitt eines vollständig bearbeiteten Diamant-InP-DHBT-Wafers.
Die hier vorgestellte InP-DHBT-Technologie mit Diamant-Integration ist mit der innerhalb des gleichen Forschungsprogramms [2] entwickelten Flip-Chip-Montagetechnologie kompatibel. Die Wafer wurden abschließend gesägt und die Schaltungen mittels Flip-Chip-Technologie aufgebaut. Die hier vorgestellte Forschungsarbeit des FBH zielt also nicht nur auf die Technologieentwicklung des Transistor-Bauelementes, sondern auch auf neuartige Schaltungen und Subsysteme, die mit den bestehenden Technologien nicht zugänglich sind.
Publikationen
[1] K. Nosaeva, N. Weimann, M. Rudolph, W. John, O. Krueger, W. Heinrich, “Improved thermal management of InP transistors in transferred-substrate technology with a diamond heat-spreading layer”, Electronics Letters, Vol. 51, No. 13, S. 1010–1012; DOI: 10.1049/el.2015.1135 IET Digital Library
[2] S. Monayakul, S. Sinha, C.-T. Wang, N. Weimann, F. J. Schmückle, M. Hrobak, V. Krozer, W. John, L. Weixelbaum, P. Wolter, O. Krüger, W. Heinrich, "Flip-chip interconnects for 250 GHz modules", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 25, No. 6, S. 358–360, Juni 2015.