Study of algan/gan hemts with advanced process steps for KA-BAND applications

Abstract

With the rapid growth of Internet of Things, Unmanned Aerial Vehicle, and Artificial Intelligence applications, the need for 5G and Beyond 5G (B5G) consumer electronics technology has grown rapidly, and the current frequency bandwidths for data transmission face congestion. As a result, the transmission capability relies on the development of higher frequency transistors to increase operational frequency of Power Amplifiers and Low Noise Amplifiers and to broaden the frequency bandwidth for higher data transmission speed with reduced signal interferences. This thesis covers over the development and fabrication of Ka-Band AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistors, using four advanced process steps, such as the 2-Step Photolithography Process, the TCAD simulated and fabricated Trench-Etched HEMTs, the Ohmic-Etching Pattern HEMTs, and the development of thick copper metallization interconnect. First, the 2-Step Photolithography Process done with the Stepper Lithography is used to overcome the gate-scaling limitations of Steppers and ncrease cost effectiveness with a high 4-inch wafer uniformity. The small gate length GaN HEMT device with a gate length of 100 nm is successfully fabricated with this method. High power density of more than 10 W/mm were also measured for the fabricated 2×25 μm devices. The wafer uniformity of the fabricated wafer was also measured with respect to IDSS, Gm, and threshold voltage (Vth). Overall, the uniformity results demonstrated high wafer uniformity of the fabricated wafer suitable for mass production. Second, the study discusses TCAD simulated and fabricated Trench- Etched HEMTs for extrinsic transconductance (Gm) curve flatness improvement and 3rd order intermodulation reduction to increase device high frequency linearity performance. Four different fin-gate structure were designed in this study: the planar, the 2 fins (1 etched fin), the 5 fins (4 etched fins), and the 10 fins (9 etched fins) devices. The small signal results showed that the devices with 5 fins have the highest fT and fmax values, performing over the 10 fins devices. The 5 fins devices exhibited the best power gain, OIP3-P1dB, and IMD3 values over the three other designed structures at the VGS of 0.5 and 0.25 IDSS and VDS of 20 V. The fin-shaped gate devices all show increased linearity performance compared to the planar devices with respect to the Gm values, OIP3-P1dB, and IMD3 values. Third, this study ohmic etching patterns has been applied to AlGaN/GaN HEMT devices that operate at the frequency of Ka Band with decreased contact resistance for Direct Current (DC) and Radio Frequency (RF) performance improvement. Four designs of the ohmic etching patterns were fabricated in this study as 1 μm lines, 3 μm lines, 1 μm holes, and 3 μm holes. The devices with the pattern of 1 μm lines exhibited the lowest contact resistance of 0.154 Ω·mm and a contact resistivity of 4.04×10-7 among the four designed devices. The devices with 1 μm line patterns show the most promising results among the four designed devices suitable for Ka-band applications. Last, the study shows the development of thick copper metallization interconnect to improve device source and drain resistance and mitigate high frequency Skin Effect with low fabrication cost and high reliability. The thick copper-metallized interconnects were fabricated on the HEMT devices after the definition of the device structure. Thermal and stress tests were also done for the copper-metallized HEMTs in this study to demonstrate the stability for the designed barrier layer. High output power density of 6.6 W/mm with a PAE of 45.6 % were also measured for the copper metallized HEMT devices, demonstrating strong potential for high power applications at Ka Band.

Con el rápido crecimiento de las aplicaciones de Internet de las cosas, vehículos aéreos no tripulados e inteligencia artificial, la necesidad de tecnología de electrónica de consumo 5G y más allá de 5G (B5G) ha crecido rápidamente, y los anchos de banda de frecuencia actuales para la transmisión de datos se enfrentan a la congestión. Como resultado, la capacidad de transmisión depende del desarrollo de transistores de mayor frecuencia para aumentar la operatividad de los amplificadores de potencia y los amplificadores de bajo ruido y ampliar el ancho de banda de frecuencia para una mayor velocidad de transmisión de datos con interferencias de señal reducidas. Esta tesis abarca el desarrollo y la fabricación de transistores de alta movilidad electrónica AlGaN/GaN de banda Ka, utilizando cuatro pasos de procesos avanzados, como el proceso fotolitográfico en dos pasos, la simulación TCAD de HEMT y su fabricación mediante grabados en trinchera, los HEMT con patrón de grabado óhmico y el desarrollo de una interconexión de metalización gruesa de cobre. En primer lugar, se utiliza el proceso fotolitográfico de 2 pasos con la litografía paso a paso (stepper) para superar las limitaciones de escalado de puerta y aumentar la rentabilidad con una alta uniformidad en oblea de 4 pulgadas. El dispositivo HEMT de GaN de pequeña longitud de puerta (con una longitud de puerta de 100 nm) se fabrica con éxito mediante este método. También se midió una alta densidad de potencia de más de 10 W/mm para los dispositivos fabricados de 2×25 μm. Además, se midió la uniformidad de la oblea fabricada con respecto a IDSS, transconductancia extrínseca (Gm) y voltaje umbral (Vth). En general, los resultados de demostraron una alta uniformidad de la oblea fabricada adecuada para la producción en masa. En segundo lugar, el estudio analiza la simulación TCAD y la fabricación de HEMT mediante grabados en trinchera para mejorar la planaridad de la curva de transconductanza (Gm) y reducir la intermodulación de tercer orden para aumentar el rendimiento de linealidad en alta frecuencia del dispositivo. En este estudio se diseñaron cuatro estructuras de puerta finfet diferentes: la planar, la de 2 fins (grabado de un fin), la de 5 fins (grabado de 4 fins) y la de 10 aletas (grabado de 9 fins). Los resultados de pequeña señal mostraron que los dispositivos con 5 fins tienen los valores de frecuencias fT y fmax más altos, superando a los dispositivos de 10 fins. Por otro lado, los dispositivos de 5 fins mostraron los mejores valores de ganancia de potencia, OIP3-P1dB e IMD3 sobre las otras tres estructuras diseñadas a VGS de 0.5 y 0.25 IDSS y VDS de 20 V. Todos los dispositivos con puerta en forma de fin muestran un mayor rendimiento lineal en comparación con los dispositivos planares con respecto a los valores Gm, OIP3-P1dB e IMD3. En tercer lugar, los patrones de grabado óhmico de este estudio se han aplicado a dispositivos HEMT de AlGaN/GaN que funcionan a la frecuencia de la banda Ka con una resistencia de contacto reducida para mejorar el rendimiento en corriente continua (CC) y radiofrecuencia (RF). En este estudio se fabricaron cuatro diseños de patrones de grabado óhmico: líneas de 1 μm, líneas de 3 μm, agujeros de 1 μm y agujeros de 3 μm. Los dispositivos con el patrón de líneas de 1 μm mostraron la resistencia de contacto más baja de 0.154 Ω-mm y una resistividad de contacto de 4.04×10- 7 entre los cuatro dispositivos diseñados. Los dispositivos con patrones de líneas de 1 μm muestran los resultados más prometedores entre los cuatro dispositivos diseñados aptos para aplicaciones en banda Ka. Por último, el estudio muestra el desarrollo de una interconexión metálica de gran espesor de cobre para mejorar la resistencia de la fuente y el drenador del dispositivo y mitigar el efecto Skin en alta frecuencia con un bajo coste de fabricación y una alta fiabilidad. Las interconexiones metálicas de cobre se fabricaron en los dispositivos HEMT una vez definida la estructura del dispositivo. En este estudio también se realizaron pruebas térmicas y de estrés para los HEMT metalizados con el fin de demostrar la estabilidad de la barrera diseñada. También se midió una alta densidad de potencia de salida de 6.6 W/mm con una PAE del 45.6% para los dispositivos HEMT metalizados con cobre, lo que demuestra un gran potencial para aplicaciones de alta potencia en banda Ka.