Tecnologías de Semiconductores para Frecuencias más Altas

Tecnologías de
Semiconductores para
Frecuencias más Altas
E
l rango de ondas milimétricas (30-300
en el juego.
GHz) no está bien utilizado, excepto
En este artículo, se presenta una vista panorámica
en su parte baja.
Las nuevas
de los dispositivos activos de semiconductores
aplicaciones
en
imagenología,
disponibles para aplicaciones a 100-GHz y 100-Gb/s,
seguridad,
basada
en
las
medicina,
y
propiedades de los
transmisiones
semiconductores y los
inalámbricas de
requisitos
de
los
corto alcance, así como la
dispositivos.
Se
siempre creciente tasa de
describen entonces las
transmisión de datos por fibra
tecnologías de uso más
(Traducción por Dr. Roberto S. Murphy, INAOE,
óptica podrían cambiar esta
común, y se presenta el
Tonantzintla, Puebla, México)
situación rápidamente [1],[2].
estado
de
las
André Scavennec,
Marko Sokolich, e
Yves Baeyens
Durante las últimas tres
décadas, las tecnologías III-V (GaAs y InP) se han
expandido progresivamente en todo el rango de
ondas milimétricas. Más recientemente, y debido al
escalamiento continuo de los procesos, las
tecnologías basadas en silicio también han entrado
tecnologías
en
competencia en dos áreas distintas: divisores de
frecuencia, que ilustran la capacidad de una
tecnología para circuitos digitales de alta velocidad,
y osciladores, que ilustran su comportamiento para
aplicaciones en circuitos analógicos.
__________________________________________________
André Scavennec ([email protected]) está en Alcatel Thales III-V Lab, Route de Nozay, 91460, Marcoussis, Francia.
Marko Sokolich ([email protected]) está en los Laboratorios HRL, Malibú, California, 90265-4797, EUA.
Yves Baeyens ([email protected]) está con Bell Labs, Alcatel-Lucent, Murray Hill, Nueva Jersey, 07974, EUA.
Abril 2009
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El desempeño a frecuencias más altas implica
tiempos de tránsito más cortos y menores
efectos parásitos RC.
Propiedades Básicas de Materiales y Procesos
Propiedades de Materiales Semiconductores
Los dispositivos electrónicos que operan a muy altas
frecuencias
presentan
un
comportamiento
relacionado principalmente a 1) las propiedades del
material semiconductor constitutivo, y 2) la
estructura del dispositivo [3]. El Si, GaAs, y InP son
hoy en día los materiales más adecuados a elegir
para dispositivos con frecuencias de corte de 300
GHz y mayores. En la Tabla 1 se reportan algunos
parámetros importantes en la caracterización de la
banda prohibida, propiedades de transporte de
portadores, y conductividad térmica. También se
reportan las propiedades de la red de InGaAs
acoplada a InP, GaN, y InAs.
Una banda prohibida lo suficientemente grande
(Eg> 1 eV) es ventajosa ya que proporciona buenas
propiedades de ruptura. El Si, GaAs y InP de hecho
pueden soportar voltajes del orden de unos cuantos
volts en 100 nm; más aún, las uniones p-n presentan
un comportamiento rectificador bien definido, con
corrientes de fuga despreciables a temperatura
ambiente. Se obtienen voltajes de ruptura aún
mayores con GaN, mientras que sólo se pueden tener
dispositivos de muy bajo voltaje con InAs, ya que la
banda prohibida es pequeña.
La movilidad de los electrones es más alta para
materiales III-V que la del silicio, lo que indica menor
resistencia en serie para un nivel de dopado dado en
regiones de contacto tipo n, pero lo opuesto ocurre
para las regiones tipo p debido a la menor movilidad
de los huecos en los materiales III-V. Sin embargo, la
velocidad de los portadores en la región de campo
alto del dispositivo, que controla ambos la
transconductancia y el tiempo de tránsito, está más
cercana a la velocidad de deriva de saturación (vsate
o vsath, dependiendo del tipo de portador; es
cercana a 100 nm/ps). Debido a efectos transitorios
(la transferencia de electrones desde los valles de
baja energía y alta movilidad en la banda de
conducción hacia los valles de mayor energía y
menor movilidad no es instantánea), el transporte de
electrones se ve beneficiado por el sobretiro; por
ejemplo, una velocidad efectiva mayor a 3 x 107cm/s
se ha inferido del tiempo de tránsito base-colector en
transistores bipolares de heterounión (HBTs) de
colector delgado, que es cerca de cinco veces la
velocidad de saturación [5].
Un mejor desempeño a frecuencias más altas
implica tiempos de tránsito menores y más bajos
componentes parásitos RC;
esto se obtiene
generalmente al escalar los dispositivos hacia
dimensiones menores e incrementar la densidad de
corriente, tanto para los transistores de efecto de
campo (FETs) como para los bipolares (por ejemplo,
[6]).
La conductividad térmica se vuelve un
parámetro muy importante para dispositivos y
circuitos de muy altas frecuencias, y la buena
conductividad del silicio es una ventaja real sobre las
tecnologías competitivas III-V, ya que una mayor
densidad de empaquetamiento es posible.
Una de las principales ventajas de los primeros
circuitos integrados monolíticos para microondas
(MMICs) basados en III-Vs, fue resultado de las
propiedades semi-aislantes del substrato sin dopar (o
compensado), directamente relacionado a la gran
banda prohibida del semiconductor (resistividad del
substrato del orden de 108 cm contra 104 cm para
Si).
Esto permitió la fabricación de resistores,
inductores, y líneas de transmisión con bajos efectos
parásitos asociados.
Siguiendo los recientes
desarrollos de aplicaciones en microondas de gran
mercado (por ejemplo, redes de telefonía móvil), se
ha hecho mucho progreso con la introducción de
componentes pasivos en tecnologías de silicio.
Adicionalmente, la tecnología con substratos de
silicio-sobre-aislante (SOI) ha demostrado su
potencial en la reducción de efectos parásitos (sin
embargo, con el costo de una menor conductividad
térmica del substrato).
FETs y Bipolares para Applicaciones en Altas
Frecuencias
Hoy en día, los transistores bipolares y FETs apro-
Tabla 1. Propiedades de materiales semiconductores: Banda prohibida de energía (Eg) y voltaje de ruptura
(Vbr), movilidad de electrones y huecos (e y h, respectivamente), y velocidad de saturación (vsate, vsath para
electrones y huecos, respectivamente [4]).
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Abril 2009
piados para aplicaciones en altas frecuencias están
basados en heterouniones (una excepción importante
es el MOSFET, basado en silicio). Las heterouniones
han sido desarrolladas por más de 40 años, y han
continuado evolucionando en términos de tensión de
red. Las heterouniones entre dos materiales distintos
(con la misma estructura cristalina y los mismos
parámetros de red) se caracterizan principalmente
por la diferencia en sus bandas prohibidas y la forma
en que esta diferencia se reparte entre
discontinuidades en banda de conducción y banda
de valencia (Tabla 2). En la región activa de los
transistores, las heterouniones se usan con dos
objetivos diferentes:
 Para asegurar que en transistores bipolares la
inyección de electrones del emisor a la base sea
predominante sin importar sus respectivos niveles
de dopado.
 Para confinar electrones en un pozo no dopado en
transistores de alta movilidad de electrones
(HEMTs).
Aún cuando se tomaron los pasos iniciales con
heterouniones de red apareada, pronto fue evidente
que se podía lograr un mejor desempeño con redes
desapareadas, siempre y cuando las capas cristalinas
tensionadas se mantuvieran dentro de sus límites de
espesor pseudomórfico (si la película crecida es lo
suficientemente delgada, su constante de red se
ajusta a la del substrato). Esta propiedad es usada
para crecer capas para la base con tiempo de tránsito
corto en HBTs (por ejemplo, con una composición
gradual) así como películas para canales de alta
movilidad en HEMTs. Pasando un espesor crítico
(mientras más alto sea el desapareamiento, más
Más allá de un espesor crítico, la película
crecida se relaja, y aparecen dislocaciones en
la estructura cristalina.
delgada la película), la película crecida se relaja y
aparecen dislocaciones en la estructura cristalina.
Esta situación puede aún ser usada para crecer una
película de alta calidad cristalográfica en un
substrato con una constante de red diferente, con una
película de transición intermedia (buffer) que atrapa
la mayoría de las dislocaciones.
Este tipo de
estructuras se encuentran, por ejemplo, en los
llamados
HEMTs
metamórficos,
con
una
heterounión activa de alta calidad crecida sobre una
película inerte de transición. En particular, las
estructuras metamórficas permiten el uso de canales
de alta movilidad de InAs [7],[8].
Actualmente, se pueden visualizar varias
tecnologías para aplicaciones a 100-GHz y 100-Gb/s:
HEMTs de GaAs y InP; HBTs de InP y SiGe, que han
estado disponibles en la última década; y el proceso
CMOS de Si, que ha aparecido más recientemente
como un jugador potencial.
Tecnologías
prometedoras como los HEMTs de GaN y los que
usan materiales de banda prohibida reducida
también podrían entrarle al juego. Hasta ahora,
HEMTs de GaN se han desarrollado por su
impresionante manejo de potencia en frecuencias de
microondas y ondas milimétricas [9]. Más aún, ya
que la alta densidad electrónica en la interfaz (cerca
de 1013cm-2) resultante de los efectos piezo-eléctricos
asociados a la estructura cristalina compensan la
relativamente baja movilidad de los portadores, un
TABLA 2. Las heterouniones más comunes y sus principales aplicaciones en microelectrónica. En esta tabla,
Eg indica la diferencia en bandas de energía entre los dos materiales, mientras que Ec es la discontinuidad en
banda de conducción.
Heterounión Características Aplicaciones Si/Si0.8Ge0.2 Material Tensionado Eg=0.18eV; Ec=0.03eV Heterouniones de HBTs de SiGe; el SiGe también se usa en CMOS de ingeniería por tensión Al0.3Ga0.7/GaAs Red apareada Eg=0.4eV; Ec=0.25eV Estructura de Barrera/Canal para HEMTs y unión emisor‐base de HBTs de GaAs Ga0.5In0.5/GaAs Red apareada Eg=0.48eV; Ec=0.17eV Unión Emisor‐Base para HBTs de GaAs; se considera que proporciona mayor confiabilidad que AlGaAs Al0.3Ga0.7/In0.2Ga0.8As Tensionado Eg=0.7eV; Ec=0.45eV Estructura de Barrera/Canal para HEMTs pseudomórficos InP/In0.5Ga0.5As Red apareada Eg=0.6eV; Ec=0.25eV Unión de Base‐Emisor para HBTs de InP, y unión Colector‐Base de D‐HBTs Al0.5In0.5As/In0.5Ga0.5As Red apareada Eg=0.7eV; Ec=0.52eV Heterounión de Barrera/Canal para HEMTs de red apareada en InP, así como en HEMTs metamórficos en substrato de GaAs Al0.3Ga0.7N/GaN Tensionado Eg=0.85eV; Ec=0.55eV Heterounión Barrera/Canal en HEMTs de GaN (con substrato de zafiro, SiC o Si) Abril 2009
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Si, GaAs, y InP son hoy en día los materiales
más adecuados a elegir para dispositivos con
frecuencias de corte de 300 GHz y más allá.
mejor desempeño a muy alta frecuencia se presenta
como factible, si el diseño de la estructura específica
pudiese ofrecer bajas resistencias de acceso [10].
Diferencias entre HBTs y FETs
Más allá del hecho de que los FETs son dispositivos
unipolares (sólo un tipo de portador se involucra en
la operación del transistor, mientras que un
dispositivo bipolar implica ambos tipos de
portadores), se pueden observar varias diferencias
entre las tecnologías bipolar y FET, en particular:
 Un HBT tiene una característica de operación
exponencial [es decir, la corriente de colector
depende del voltaje de entrada de manera
exponencial: ic  exp(Vbe/kT)], mientras que en
un FET es cuadrática [la corriente de drenaje varía
conforme el cuadrado del voltaje compuertafuente: ids  (Vgs2)]. Esto se traduce en una
mayor dispersión de los voltajes de umbral para
los HEMTs.
Es por esto que los circuitos
integrados (CIs) digitales de alta velocidad, o los
de modo mixto, son generalmente diseñados
usando tecnología de HBTs (pero hay que
recordar el éxito de CMOS en CIs digitales). Por
el otro lado, los HEMTs presentan un menor
ruido de microondas que los transistores
bipolares (la resistencia de la compuerta de metal
es menor que la resistencia de base del
semiconductor).
Figura 1.
Diagrama de bandas para la
heteroestructura HEMT ilustrando el canal de ancho
de banda angosto entre el substrato semi-aislante (SI)
y la capa de barrera. En este diagrama, la barrera
está dopada—, lo que significa que los dopantes son
introducidos en una película muy delgada. Los
electrones en el canal se acumulan en el pozo
cuántico en la interfaz, con una densidad superficial
ns controlada por la diferencia en la banda de
conducción (EC).
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 Un HBT es un dispositivo vertical que opera a
muy altas densidades de corriente (>100 kA/cm2
y hasta > 1MA/cm2 para los HBTs de más alta
frecuencia de corte). Debido a su alta resistencia
térmica, el alto consumo de potencia de los HBTs
podría mitigar la ventaja inherente de su baja
dispersión de voltaje de umbral.
 Aún cuando las frecuencias de corte pueden ser
similares (hasta 500 GHz), los transistores
bipolares para microondas son generalmente
dispositivos de baja impedancia, caracterizados
por más altas transconductancia y capacitancia de
entrada.
Esto tiene varias consecuencias,
incluyendo la menor sensitividad de los bipolares
a la carga.
Procesos Disponibles
Aunque los varios procesos no están fácilmente
disponibles para un diseñador, hay un número
limitado de fabricantes por medio de los cuales se
puede acceder a los siguientes procesos:
 CMOS de 45-, 65-, y 90-nm
 HBT de 130-nm de SiGe
 HEMT de 100-nm
 HBT de InP de 500-nm.
Los HEMTs de GaAs han estado bajo desarrollo
por mucho tiempo, con longitudes de compuerta
muy por debajo de 1 m; el principal cambio
técnico con respecto a los primeros MESFETs está
relacionado con su más compleja estructura
heteroepitaxial. De manera similar, los HBTs III-V
han encontrado éxito comercial en amplificadores de
potencia de GaAs de „baja frecuencia‰ para teléfonos
móviles. Es sólo a través del cambio de material a
sistemas basados en InP que esta tecnología ha
entrado en el dominio de las muy altas frecuencias.
Más recientemente los procesos de silicio, debido a
la continua reducción de las dimensiones de los
transistores, también entraron en el campo de las
ondas milimétricas.
Cuando se desarrollaron los
HBTs de SiGe, esta tecnología fue directamente
introducida por fabricantes Bi-CMOS con procesos
sub-micrométricos
profundos,
rápidamente
presentando frecuencias de corte cercanas a las de
sus contrapartes III-V. Hoy en día, las principales
diferencias entre las dos son:
1) el ambiente
industrial más maduro de los HBTs de SiGe
(complejidad circuital más alta y el ambiente CMOS
añadido), y 2) el menor voltaje de ruptura del
colector del proceso.
Cuando se trata de aplicaciones, los principales
factores que decidirán cuál tecnología es la más
apropiada son probablemente los siguientes, con su
peso respectivo dependiendo de la aplicación.
1) Desempeño. Éste es un factor clave, en
particular para aplicaciones que requieren de un
desempeño del estado del arte.
2) Especificaciones objetivo. Las especificaciones
para la aplicación pueden cambiar (conforme
evolucionan los estándares), y algo de flexibilidad
puede ser apropiado para nuevas aplicaciones.
Abril 2009
3) Consumo de potencia en DC. Un consumo bajo
es un factor importante para reducir el tamaño del
equipo y el peso y consumo de potencia para
terminales móviles.
4) Número de compuertas. Éste es otro aspecto
importante, ya que el procesamiento digital de
señales ha aumentado el peso en las aplicaciones.
5) Costo.
Éste es obviamente un aspecto
significativo, y se aplica al sistema completo. El
costo depende, a su vez, del número de piezas
requeridas (tamaño de mercado): para cantidades
pequeñas o moderadas (unas cuantas 103 hasta 105
piezas), los procesos III-V pueden ser menos caros
que los de SiGe; para cantidades más altas, la
situación puede ser la contraria.
Descripción y Estado de los Procesos Maduros
GaAs con P-HEMTs y M-HEMTs de InP
Originalmente, los transistores de GaAs eran FETs de
compuerta Schottky (MESFETs) con canal tipo n, ya
que la movilidad de electrones es mucho más alta
que la de huecos en los materiales III-V. El fuerte
fijamiento del nivel de Fermi en la superficie, que
impide la realización de una estructura MOS,
favoreció el desarrollo de la compuerta Schottky. El
desempeño del MESFET se mejoró gradualmente al
aumentar el nivel de dopado del canal, sacrificando
la movilidad de los electrones (la movilidad
disminuye cuando el dopado aumenta) y la corriente
de fuga de la compuerta. La introducción de la
estructura HEMT (ver Figura 1) en la década de
1980, permitió dos mejorías simultáneas: 1) el
aumento de la corriente de canal con un canal de alta
movilidad (resultando en una transconductancia
alta) y 2) mejoría en la corriente de fuga debido a la
gran barrera de la banda prohibida.
Desde la concepción de la estructura HEMT, se han
introducido muchos refinamientos, dirigidos a
mejorar el desempeño (ns y vsate). Dos caminos han
sido usados principalmente: 1) incrementar la
diferencia en bandas prohibidas, lo que permite una
mayor acumulación de electrones en el pozo de la
interfaz y 2) aumentar la movilidad del canal, lo que
significa aumentar el contenido de In en el canal de
InGaAs (de xIn=0% en el HEMT convencional de
GaAs hasta xIn=80% en el HEMT más rápido de InP).
Actualmente, se están desarrollando dos tipos de
HEMTs en substratos de GaAs:
1) El P-HEMT común de GaAs (HEMT
pseudomórfico), con una barrera de AlGaAs y un
canal
tensionado
de
InGaAs,
que
es
principalmente usado en aplicaciones de bajo
ruido o potencia en el rango de frecuencia de 2070 GHz [11].
2) Se obtiene una mayor velocidad con el M-HEMT
de GaAs (HEMT metamórfico), que es
básicamente una estructura de red acoplada de
InP
(con
una
heteroestructura
de
AlInAs/InGaAs) crecida en una capa de
transición relajada sobre un substrato de GaAs.
Abril 2009
Desde la concepción de la estructura HEMT,
se han introducido muchos refinamientos,
con el objetivo de mejorar el desempeño.
Esta estructura se beneficia tanto de la mayor
velocidad de la estructura basada en InP como
del menor costo asociado con los substratos de
GaAs, que son más grandes y menos
quebradizos. Esta tecnología está actualmente
presentando un excelente desempeño en potencia
y ruido a 100 GHz [12], a pesar de la
relativamente pobre conductividad térmica de la
película de transición.
Sin embargo, un desempeño sobresaliente en
términos de frecuencia de operación más alta y
mayor potencia de salida se obtiene todavía con el
PM-HEMT de InP, con más de 400 mW a 90 GHz [13]
y más de 2 mW a 300 GHz [14].
HBT de InP
El trabajo serio en transistores bipolares de
heterounión (HBTs) de InP comenzó al final de la
década de 1990, en conjunto con el primer reporte de
un dispositivo exitoso usando sistemas de materiales
acoplados en red a un substrato de InP [15]. Este
sistema material ofrece varias ventajas sobre el SiGe
y el GaAs, incluyendo:
1) Más alta movilidad y velocidad de los
electrones en InGaAs (acoplado a la red
cristalina del InP) que en GaAs o SiGe.
2) Una menor velocidad de recombinación
superficial que en GaAs, y por lo tanto, una
mayor ganancia en corriente, resultando en
la habilidad de escalar a dimensiones más
pequeñas.
3) Voltaje de encendido del emisor más bajo
que en GaAs, debido al uso en la base del
InGaAs, de ancho de banda más angosto.
4) Un campo de ruptura mayor que el del SiGe
cuando el InP se usa como el material del
colector.
5) Un
mayor
producto
campo
de
ruptura/frecuencia de corte que cualquier
otro material de Si o III-V.
6) Un dopado máximo más alto en la base de
InP y en la cubierta del emisor de InGaAs,
lo que resulta en valores más pequeños de
la resistencia parásita de contacto.
7) La habilidad adicional de „ingeniería de
banda prohibida‰ del HBT debido a los
muchos semiconductores ternarios que
tienen su red acoplada a la del InP.
En años recientes, el HBT de InP ha sido
responsable de los puntos de referencia para
transistores y circuitos más rápidos. Recientemente,
grupos en Santa Bárbara e Illinois han reportado
dispositivos con Ft más allá de los 700 GHz, y
Ft/Fmax balanceados arriba de los 500 GHz [16], [17].
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81
El bajo consumo de potencia es un factor
importante para reducir el tamaño del equipo,
y el peso y consumo de potencia de las
terminales móviles.
HBT-BiCMOS de SiGe; CMOS y NMOS
Desarrollados al final de la década de 1980, los HBTs
de SiGe son procesados con la bien establecida
tecnología de silicio. A través de varios desarrollos,
incluyendo dopado de la base con carbono y autoalineación del crecimiento de la base, se ha obtenido
un desempeño impresionante·en particular, con
HBTs presentando altas Ft, Fmax (>300 GHz) en una
configuración Bi-CMOS [19]. Adicionalmente, se
obtienen propiedades excelentes de ruido 1/f, útiles
en mezcladores y osciladores, debido a las bien
pasivadas uniones. Todas estas características han
resultado en muchos CIs operacionales, como son
multiplexores (MUX) y demultiplexores (DEMUX)
usados en sistemas de transmisión de fibra óptica de
43-Gb/s, convertidores analógico-digital de alta
velocidad [20], y conjuntos de chips para radar
automotriz de 77 GHz, y hasta para transceptores
trabajando más allá de los 100 GHz [21].
y la longitud del canal, derivada de los llamados
dieléctricos de compuerta de alta k (aunque el SiO2
proporciona una pasivación del silicio sin rival, su
constante dieléctrica relativa·sólo 4·se vuelve muy
pequeña conforme la longitud del canal, y el espesor
de la compuerta, se escalan hacia abajo).
Aprovechando los beneficios de este extendido
desempeño en frecuencia, se ha hecho trabajo
preliminar evaluativo del potencial de la tecnología
MOS durante los últimos años para el dominio de la
banda milimétrica [23]. Una alta densidad de
integración y el bajo costo (para cantidades grandes
de chips) son razones de peso para estar interesados
en los procesos de silicio.
Dispositivos III-V: Co-Integración con CMOS
Para obtener los beneficios de ambos mundos, la
hetero-integración de procesos es una solución
prometedora.
Se ha investigado por distintos
caminos con el fin de lograr la muy cercana
integración de transistores III-V (de hecho,
transistores basados en InP) con CMOS de silicio, en
particular con el proyecto COSMOS financiado por
DARPA [24]. Se investigan varios enfoques, desde
integración súper-alineada de chips encontrados (en
inglés flip-chip) (menos de 5 m), hasta la técnica
completamente monolítica de capas epitaxiales
desapareadas. Los primeros resultados son muy
prometedores, con un poco degradación de las
propiedades de los dispositivos de InP después de su
integración en obleas de procesos CMOS, y la
demostración de amplificadores diferenciales de
gran ganancia-ancho de banda (mayor a 100 GHz),
caracterizados por un barrido de salida amplio y bajo
consumo de potencia [25].
Aunque no está
directamente relacionado, uno también debe darse
cuenta del progreso hecho a lo largo del ITRS a
través de la investigación de capas III-V para canales
de alta movilidad en tecnología MOSFET [26].
De Transistores a Circuitos
Figura 2. Microfotografía de un DHBT de InP con
emisor de 0.6 m de ancho antes de interconectarse.
El HBT se fabrica con un proceso autoalineado de
triple mesa [18].
En años recientes, con la disponibilidad de
procesos de compuertas muy cortas (ahora en el
rango de 45-90 nm), se han reportado muy altas
frecuencias de corte para transistores MOS de canal n
(Ft > 200 GHz) [22]. Estos resultados, que van de
acuerdo con el International Roadmap for
Semiconductors (ITRS), han sido obtenidos de la
reducción en longitud de compuerta a niveles antes
restringidos al (expansivo) proceso de definición de
compuerta por haz de electrones de los HEMTs III-V,
así como de las múltiples y continuas evoluciones de
la estructura MOS. Al igual que para la estructura
HEMT, el desempeño es mejorado por un canal de
mayor movilidad (obtenido, por ejemplo, con un
canal tensionado de silicio), y al mantener una
favorable razón de aspecto entre el espesor del óxido
82
IEEE microwave magazine
La sección anterior ilustra las características de los
distintos procesos disponibles para dispositivos
activos. Estos dispositivos son la llave para abrir la
puerta al rango de frecuencia sobre los 100 GHz,
pero no son suficientes. También se necesitan
medios adecuados para transformarlos en circuitos
funcionales, lo que implica áreas específicas de
desarrollo para líneas de transmisión, componentes
pasivos y tierras. Debido a estos factores, las
características de los dispositivos se traducen a áreas
de aplicación en las que un proceso puede ser más
adecuado que otros.
Actualmente, uno puede identificar áreas
específicas en las que un proceso destaca, como se
muestra en la Tabla 3.
Esta tabla nos da una imagen de la evolución del
estado del arte. Esta imagen se sustenta en la
siguiente descripción de dos tipos ilustrativos de
circuitos. El progreso en circuitos específicos de
ondas de luz de 100 Gb/s se trata en un artículo por
T. Swahn, Y. Baeyens y M. Meghelli en este ejemplar
[53].
Abril 2009
Tabla 3. Las principales tecnologías en competencia en las diferentes áreas de aplicación.
Ondas Milimétricas Señales Digitales Conversión A/D P‐HEMT de InP El mejor proceso disponible para aplicaciones submilimétricas [14] HBT de InP
Los divisores más rápidos, amplificadores de banda base y CIs MUX de 4:1 o DEMUX 1:4 [28] P‐ y M‐HEMT de GaAs HBT de SiGe
Productos comerciales disponibles, No tan rápido como el de con características de alta potencia o InP, pero mejor para CIs bajo ruido [11] de mediana complejidad, como circuitos MUX de 4:1 [29] HBT de InP y GaAs HEMT de InP
Alta Fmax, que se traduce en Ultrarápido, pero por lo general mejor para demostraciones prometedoras [5] circuitos de mas baja complejidad [33] HBT de SiGe CMOS de Si
Conjuntos de chips listos para Excelente integración aplicaciones en la banda para circuitos de onda de milimétrica (por ejemplo, evasión luz de alta complejidad de colisiones, radar) [27] [34]; la velocidad está limitada por ahora a cerca de 80 Gb/s para 65 nm [35] CMOS de Si CMOS nanométricos permiten alto desempeño, receptores altamente integrados [32] HBT de SiGe
Líderes de la competencia con un ADC a 40‐Gsps, 3‐b; se beneficiarán con integración BiCMOS [20] CMOS de Si
Usando una topología de intercalado de tiempo permiten la combinación de alta resolución y velocidad, junto con baja potencia, por ejemplo, un ADC a 24 Gsps y 6‐b [30] HBT de InP
Rango dinámico de entrada más amplio; buen desempeño en general [31] El Divisor Estático como un Referente de la
Tecnología
Los procesos de semiconductores para circuitos
digitales típicamente se evalúan por el desempeño de
divisores de frecuencia estáticos. El desempeño de
un circuito de este tipo es una reconocida figura de
mérito para procesos de circuitos integrados
digitales ya que un divisor de frecuencia estático
usa los mismos elementos flip-flop encontrados en
circuitos secuenciales más complejos [36]. El mismo
flip-flop se usa como la base de divisores, circuitos
de decisión, y multiplexores en sistemas de 10/100Gb/s [37]. De entre los varios circuitos que usan
estos elementos base similares, se selecciona el
divisor estático ya que sucede que éste es el
elemento que mejor se puede evaluar sin
ambigüedad con equipo de prueba sencillo, e indica
la cota superior de la capacidad de la tecnología.
La velocidad reportada para divisores estáticos
desde principios de la década de 1990 al presente se
muestra en la Figura 3. Los datos indican un
aumento continuo en los últimos años, aún después
del colapso del mercado para fibra óptica de alta
tasa de datos alrededor del año 2000. Mucho del
progreso reciente ha sido apoyado por DARPA a
Abril 2009
Figura 3. Frecuencia máxima de operación de
divisores de frecuencia estáticos en función del año
en que fue reportada. Los datos incluyen sólo
aquellos resultados que fueron indicados como los
mejores para una tecnología dada en su momento.
IEEE microwave magazine
83
El desempeño de los divisores de frecuencia
estáticos es típicamente la referente para
procesos semiconductores de circuitos
digitales.
través del programa de Tecnología para
Transmisores ˘giles en Frecuencia Digitalmente
Sintetizados (TFAST). Nótese que los mejores
resultados son consistentes con los obtenidos con
tecnología de HBTs de InP, con los HBTs de SiGe
siguiendo muy de cerca [38]. Las tecnologías HEMT
o CMOS no han sido tan competitivas a las
frecuencias más altas debido al gran tamaño que se
requiere para
alcanzar la transconductancia
necesaria con un dispositivo basado en FET. Los
mejores resultados publicados hasta ahora para un
divisor estático son 150 GHz usando tecnología HBT
de InP de 250-nm, y el progreso reciente se ha
enfocado en reducir la disipación de potencia [39].
Este nivel de desempeño es congruente con circuitos
de decisión de tasa completa de 100-Gb/s, y
MUX/DMUX con un amplio margen de desempeño.
La disipación de potencia es especialmente
importante a las tasas de operación más altas,
cuando una sola compuerta puede disipar
cientos
de
miliwatts.
CMOS
ha
entrado
recientemente a la competencia, con resultados
prometedores (frecuencia de entrada en el rango de
90-100 GHz [40]), aunque el consumo de potencia
aumenta rápidamente conforme aumenta la razón de
conmutación del divisor (por ejemplo, 23 mW a 87
GHz [41]).
La mejor disipación de potencia
reportada a 150 GHz es de 42 mW/compuerta,
usando tecnología de HBTs de InP [39].
Osciladores
Tecnología
(VCOs)
como
Referentes
de
Los osciladores controlados por voltaje (VCOs) son
bloques básicos esenciales para transpondedores
seriales de 100 Gb/s, y para las telecomunicaciones
de ondas milimétricas de siguiente generación, radar
de alta resolución, y sistemas de imagenología. Estos
osciladores requieren de una combinación de bajo
ruido de fase, alta potencia de salida y buena
eficiencia DC a RF, especialmente a las más altas
frecuencias. Esto se traduce en un número de
importantes requisitos tecnológicos:
 Una alta frecuencia de oscilación máxima (fmax es
crítica para operación en la banda submilimétrica; por lo tanto, los osciladores de más
alta frecuencia fundamental están basados en
HEMTs de nanoescala basados en InP). El
oscilador de más alta frecuencia reportado fue
por más de una década un oscilador HEMT de
InP de 213-GHz [42]. Recientemente, mejoras
adicionales en la fmax de los dispositivos han
Figura 4. Vista panorámica del ruido de fase
reportado (a 1 MHz de la portadora) para osciladores
de ondas milimétricas implementados en distintas
tecnologías.
Figura 5. (a) Diagrama esquemático y (b) vista del patrón geométrico de un oscilador push-push de D-HBT de InP
[52].
84
IEEE microwave magazine
Abril 2009
permitido una oscilación fundamental de hasta
346 GHz usando un HEMT de InP de 35-nm de
compuerta, con Fmax de 600-GHz [43]. DHBTs
de InP también han demostrado recientemente
oscilación
fundamental
a
frecuencias
submilimétricas [44].
 Para obtener un buen ruido de fase en la cercanía
de la portadora en el oscilador, es importante
usar una tecnología con ruido de parpadeo
(flicker) bajo. Las tecnologías bipolares como el
SiGe o los HBTs de InP presentan típicamente
esquinas de ruido 1/f más bajas que los FETs
como los HEMTs y CMOS, gracias a la influencia
reducida de los estados superficiales. Cuando se
revisa el ruido de fase a diferencias más grandes
(por ejemplo, a 1 MHz de la portadora·vea la
Figura 4), los osciladores CMOS de onda
milimétrica han demostrado ruidos de fase
cercanos a los de sus contrapartes HBT en SiGe y
InP. Esta comparación no toma en cuenta la
influencia del rango de entonación y podría estar
sesgada por el hecho de que a frecuencias
milimétricas, se reporta un mejor ruido de fase
para osciladores sin un buffer de salida, como se
hace notar en [45].
 Finalmente, a las frecuencias más altas, la
potencia de salida disponible de los osciladores
se vuelve un parámetro de diseño importante,
especialmente cuando los dispositivos se operan
cerca de su
fmax, ya que se vuelve
progresivamente más difícil amplificar la señal de
salida. Para maximizar la potencia de salida, la
excursión de voltaje interno del oscilador debe
ser maximizada. La mayoría de los dispositivos
III-V, como son los HBTs de InP, tienen una clara
ventaja en términos de ruptura, especialmente al
compararlos con CMOS. Esto resulta en una
potencia de salida mayor.
La disipación de potencia es especialmente
importante a las tasas de operación más altas,
en las que una sola compuerta puede disipar
cientos de miliwatts.
mente demostrado. Se han reportado en la literatura
varios osciladores push-push hechos con varias
tecnologías de semiconductores compuestos: en [47]
se reportan osciladores PHEMT de GaAs de 0.13 m
trabajando hasta 140 GHz, y en [48] se reportan
osciladores de HBT en SiGe hasta 278 GHz. Aún las
tecnologías CMOS han exitosamente demostrado
fuentes arriba de los 100 GHz: un oscilador pushpush de 192-GHz fue reportado para una tecnología
CMOS de 130-nm [49].
Figura 6. Espectro convertido hacia-abajo (LO=321.6
GHz, banda lateral superior) de un VCO push-push
de D-HBT de InP operando a 355 GHz (sin
corrección de las pérdidas del mezclador).
Osciladores Push-Push para Fuentes de Alta
Eficiencia más allá de 100 GHz
Para alcanzar mayor potencia de salida en los
osciladores arriba de 100 GHz, los diseñadores por
lo general prefieren una topología de oscilación
push-push, en la que las salidas de dos osciladores
acoplados en anti-fase se combinan para
proporcionar una señal de salida de segunda
armónica fuerte.
Esta topología permite la
realización de fuentes más allá de la fmax de las
tecnologías disponibles para dispositivos activos,
y permite la extensión del rango de frecuencia de
las tecnologías de resonadores de alta Q [46]. Aún
más, usando la topología push-push, se puede
hacer una fuente atada en frecuencia al fijar al
oscilador en un lazo de amarre de fase (PLL)
usando un divisor, ya sea estático o dinámico,
operando a la frecuencia fundamental en lugar de
a la frecuencia de salida del segundo armónico,
reduciendo los requisitos de velocidad del divisor
a la mitad.
El potencial de los osciladores push-push en
la banda milimétrica de frecuencia ha sido amplia-
Abril 2009
Figura 7. Vista panorámica de la potencia de salida y
la frecuencia de operación reportadas para
osciladores realizados con distintas tecnologías. Los
resultados
obtenidos
usando
osciladores
fundamentales y push-push se indican con símbolos
vacíos y rellenados, respectivamente.
IEEE microwave magazine
85
Las tecnologías HEMT y CMOS no han sido tan
competitivas a las más altas frecuencias debido al
gran tamaño necesario para alcanzar la
transconductancia necesaria con dispositivos
basados en FETs.
Más recientemente, una fuente operando alrededor
de los 410 GHz fue construida usando tecnología
CMOS de 45-nm [50]. Sin embargo, aún cuando se
use la topología push-push, debido al reducido
voltaje de ruptura de las tecnologías de alta
velocidad basadas en silicio, y de la necesidad
de operar circuitos CMOS de nanoescala a bajos
voltajes de polarización, se observa una reducción
significativa en la potencia de salida de los
osciladores push-push CMOS que operan arriba de
los 100-GHz. La fuente de 410-GHz basada en
CMOS, por ejemplo, tiene una potencia de salida de
20 mW, que puede no ser suficiente
para
aplicaciones de transmisión o para manejar
mezcladores en receptores. Como se ilustra en los
siguientes párrafos, una selección ideal para
osciladores push-push de alta potencia es la
tecnología de HBTs de doble heterounión (D-HBT)
de InP, que presenta una combinación con alta fmax
y un voltaje de ruptura alto.
Se han logrado osciladores push-push integrados
con frecuencias entre 220 y 355 GHz con la tecnología
HBT D-HBT de InGaAs/InP con emisor de 0.5 m de
Alcatel-Lucent/Bell-Labs,
presentando
una
frecuencia máxima de oscilación de 335 GHz y un
voltaje de ruptura (Vbceo) de 4V [51].
Estos osciladores están basados en una topología
de osciladores Colpitts balanceados. Un segundo
armónico de señal fuerte es generado al combinar las
salidas fuera de fase y entonando reactivamente la
impedancia de salida del oscilador al segundo
armónico usando cortos a tierra [52], como se
muestra en la Figura 5. Se han logrado varios
osciladores usando esta topología. Una vista del
patrón geométrico de un oscilador de 287-GHz se
muestra en la Figura 5. Los resonadores de línea de
transmisión, LE, LB, y LC, son hechos con microcinta
delgada usando un plano de tierra de chapa de oro
de 2-m de espesor sobre un dieléctrico internivel de
baja k (er=2.6) de 7-m de espesor.
La señal de salida de los distintos osciladores fue
medida usando una punta de prueba WR03 de guía
de onda, y se convirtió a baja frecuencia usando un
mezclador sub-armónico WR03. Hasta 1 mW de
potencia de salida y una eficiencia de DC a RF de 23% fue medida a 210 GHz y 235 GHz. Una potencia
de salida de cerca de -5 dBm se obtuvo para
osciladores operando a 280 y 297 GHz. El espectro
de salida medido para el oscilador de más alta
frecuencia logrado se muestra en la Figura 6. Aún
cuando la frecuencia de salida está más allá de la
banda de la guía de onda WR03 de las puntas de
prueba para oblea y el mezclador de conversión
hacia abajo, una señal IF fuerte fue detectada
después de mezclar la señal del oscilador con un
86
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oscilador local efectivo (LO) de 321.6 GHz. Después
de corregir las pérdidas por las puntas de prueba y el
mezclador, que se estiman en 23 dB y 30 dB, se
obtuvo una potencia de salida sobre -13 dBm a 355
GHz.
En la Figura 7 se muestra la potencia de salida de
estos osciladores en función de la frecuencia de
oscilación, y se compara con osciladores fabricados
en varias tecnologías de semiconductores. Gracias al
alto voltaje de ruptura de los D-HBTs de InP, y a la
técnica de entonamiento de segunda armónica, que
aumenta la potencia de salida en unos 5 dB, los
osciladores push-push de D-HBT de InP logran
mayor potencia de salida y eficiencia que otras
fuentes basadas en transistores y reportadas hasta
ahora para este rango de frecuencia.
Conclusiones
Existen
varios
materiales
y
tecnologías
semiconductoras
apropiados
para
satisfacer
aplicaciones de 100-GHz y 100-Gb/s. Algunas veces
compiten una con otra, como se podría esperar ya
que éste es un nuevo campo de aplicaciones y las
respectivas ventajas e inconvenientes de estas
tecnologías aún se están valorando. El propósito de
esta presentación fue ilustrar la variedad y posible
potencial de estas tecnologías en evolución con cada
vez mayor desempeño en frecuencia. Mientras que
la mejora en el desempeño del dispositivo se basó
por mucho tiempo solamente en la reducción de las
dimensiones permitidas por el proceso de
fotolitografía, las heteroestructuras y la ingeniería de
tensiones son ahora medios poderosos para
aumentar el desempeño, tanto en velocidad como en
potencia, a un nivel que abre la puerta al campo de
aplicaciones en 100-GHz y 100-Gb/s.
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IEEE microwave magazine
Abril 2009