Drahtlose Kommunikation

Hauptanwendungsgebiet für Freiberger‘s halbisolierende 6" GaAs Wafer ist die Herstellung von hochmodernen Hochfrequenzbauelementen (pHEMT, HBT und BiFET).

GaAs-basierte Halbleitermaterialien behaupten ihre Vormachtstellung als Basiswerkstoff für drahtlose und Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie z. B. Leistungsverstärker und Schalter für Mobiltelefone, Smart- und Feature Phones, WLAN-fähige Geräte und die dazu gehörige Infrastruktur.

Sie werden für drahtlose Breitband- und Wi-Fi-Funktionen in PCs, Notebooks und Tablets, für Kabel-TV, direkte Rundfunksatelliten, Nachrichten- und Datennetze, Facebook und Cloud eingesetzt.

HBT

Hetero-junction Bi-polar Transistor, Bipolar-Transistor mit Heteroübergang

Durch den Einsatz unterschiedlicher Materialien für Emitter-, Basis- und Kollektorschichten des Bauelements sind diese Transistoren leistungsfähiger als herkömmliche bipolare Transistoren. Das eingesetzte Emittermaterial besitzt eine größere Bandlücke und ermöglicht das Injizieren von Elektronen in die Basis.

Bei geeigneter Materialauswahl ist die Barriere für Elektroneninjizierung signifikant geringer als jene für die Löcherinjizierung von der Basis in den Emitter. Der Elektronentransport lässt sich durch Abstufung der chemischen Zusammensetzung der Basis weiter verbessern. Die schematische Darstellung der Bandlücken (vgl. Abb.) zeigt sowohl die breite Bandlücke des Emitters als auch die der abgestuften Basis. Die hellgrauen Bereiche sind die Verarmungszonen in beiden Übergängen.

HBTs können durch MOCVD (Metallorganische Gasphasenepitaxie) oder MBE (Molekularstrahl-Epitaxie) gewachsen werden, wobei gegenwärtig überwiegend MOCVD zum Einsatz kommt. Über viele Jahre hinweg war AlGaAs die erste Wahl als Material für Emitter mit breiter Bandlücke. Die neuesten HBTs basieren auf InGaP. Die Nutzung von Phosphor drängt die Epitaxie- Technologie immer mehr in Richtung MOCVD.

Die Struktur wird erzeugt, indem man mit dem Wachstum eines n-leitenden Subkollektors beginnt, der als Bufferschicht dient. Der n-Typ-Kollektor schließt sich an, gefolgt von der hoch dotierten p-leitenden Basis-Schicht. Den Stapel schließt die n-leitende Emitterschicht ab. Aufgrund der relativ hohen Stromdichte werden HBTs bevorzugt auf VGF-Substraten mit niedriger Versetzungsdichte gewachsen. In einem HBT bewegen sich die Elektronen in vertikaler Richtung, was letztlich eine sehr kleine Bauelementgröße bewirkt und damit gestattet, eine große Anzahl von HBTs auf einem Substrat zu erzeugen. HBTs werden hauptsächlich in Leistungsverstärkern für die drahtlose Kommunikation und Datenübertragung eingesetzt.

pHEMT

(pseudomorphic High Electron Mobility Transistor, pseudomorpher Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit)

Dieser Transistor ist eine spezielle Bauform des Feldeffekttransistors, wo durch Veränderung der Bandlücke eine erhebliche Leistungssteigerung erreicht wird. Durch das Aufwachsen einer stark dotierten Schicht mit breiter Bandlücke auf einer dünnen undotierten GaAs Schicht entsteht eine Quantenmulde. Elektronen aus der verarmten Region des dotierten Materials fallen in diese Mulde. Da diese Schicht nicht dotiert ist, gibt es hier keine Verunreinigungen, die als Streuzentren für diese Elektronen wirken. Demzufolge ist ihre Beweglichkeit stark erhöht. Wenn die Temperatur auf nahe absolut Null abgesenkt wird, womit die Phononen hinausgetrieben werden, werden Beweglichkeiten über 3 x 106 cm² V-1 s-1 gemessen. Die Elektronen sind an diese dünne Quantenmulde gebunden und bilden dadurch das, was als 2-dimensionales Elektronengas bekannt ist.

Aufgrund der dünnen Schichten und abrupten Grenzflächen, die in HEMT-Strukturen erforderlich sind, wurden früher fast alle Bauelemente nach dem MBE-Epitaxieverfahren hergestellt. Durch die Verbesserung der MOCVD-Tools in letzter Zeit können heute beide Technologien eingesetzt werden. Im Anfangsstadium der Epitaxie wächst die neue Schicht mit der gleichen Gitterkonstante wie das Substrat, wodurch eine verspannte pseudomorphe Struktur entsteht. Wie in den FETs bewegen sich die Elektronen in den pHEMTs parallel zur Oberfläche. Folglich ist das Bauelement viel größer als das eines HBT. Bei dieser Größe sind LEC Wafer wegen ihrer höheren elektrischen Gleichförmigkeit etwas besser geeignet als VGF Wafer. LEC Wafer werden zwar bevorzugt, aber VGF Wafer werden ebenfalls für pHEMT-Strukturen eingesetzt, die vor allem für Hochgeschwindigkeitsschalter Verwendung finden.

BiFET

Der anhaltende Trend zu kleineren, kostengünstigeren Schaltungen in Mobiltelefonen hat bewirkt, dass man sich immer mehr auf die Erhöhung des Integrationslevels fokussiert. Durch die Kombination der Funktionalität von HBTs mit der Schaltfähigkeit von FETs in einem Bauelement, können einige der Vorspannungs-Kontrollfunktionen im Leistungsverstärker eingebunden werden.

Dafür ist es erforderlich, dass HBT- und FET-Strukturen aus dem gleichen Epitaxie-Stapel hergestellt werden. Ein solcher BiFET-Prozess ist etwas komplizierter als wenn man beide Strukturen einzeln herstellt, bietet aber enorme Vorteile hinsichtlich Leistung und Kostenstruktur. Es ist auch möglich einen Standard-FET durch einen HEMT zu ersetzen, was die Leistung des Bauelements weiter verbessert. In diesem Fall wird zuerst die pHEMT-Struktur hergestellt und darauf eine HBT-Struktur gewachsen. Der gesamte pHEMT bildet einen Teil des HBT Sub-Kollektors.