Development of GaAs-based Heterojunction-Bipolartransistors (HBTs) for Microwave-Powercells

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Leistungs-HBTs für hohe Leistungen und hohe Betriebsspannungen. Grundlage der Entwicklungen waren GaAs/Ga0.5InP-HBTs mit geringer Ausgangsleistung für mobile Endgeräte. Die HBT Schichtstrukturen wurden mit Hilfe der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) in einem kommerziell erhältlichen 5x4"-Planetenreaktor gewachsen. Die anschließende Prozessierung erfolgte unter Zuhilfenahme eines 2-Mesa Designs. Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der Modifikation des Basis-Kollektor-Übergangs mit dem Ziel einer erhöhten Spannungsfestigkeit. Diese ist notwendig, um den Betrieb des HBT bei einer, für die Anwendung in Basisstationen notwendigen, Arbeitspunktspannung von Uap = 28 V, zu ermöglichen. Dies macht eine Durchbruchspannung BV > 56 V notwendig. Durch die Erhöhung der Kollektordicke auf 2.8 µm bei gleichzeitiger Absenkung der Kollektordotierung können Durchbruchspannungen von BVcbo = 65 V erreicht werden. Als alternativer Ansatz wird die Verwendung eines Kollektormaterials mit größer Bandlückenenergie, und dadurch einer höheren Durchbruchfeldstärke, als GaAs verfolgt. Aufgrund des sich ausbildenden (zweiten) Heteroüberganges an der Basis-Kollektor-Grenzfläche wird ein solcher HBT auch als Doppel-Heterostruktur-Bipolartransistor (D-HBT) bezeichnet. D-HBTs mit einem 2.8 µm dicken Al0.2Ga0.8As-Kollektor zeigen Rekordwerte von BVcbo = 85 V. Der dabei zur Stromblockade führende Leitungsbandoffset zwischen Basis und Kollektor wird durch eine 150 nm dicke gradierte Zwischenschicht umgangen. Noch vielversprechender ist das Material Ga0.5InP, wegen seiner noch höheren Durchbruchfeldstärke. Hier wird bereits bei einer Kollektordicke von 1.5 µm eine Durchbruchspannung BVcbo = 75 V erreicht. Da die Kollektordicke insbesondere in Bezug auf die Kollektortransitzeit sowie die Gesamttopologie des Bauelements von Bedeutung ist, wird dieses D-HBT-Konzept favorisiert. Die Schwierigkeit bei der Realisierung eines D-HBT mit Ga0.5InP-Kollektor besteht darin, die stromblockierende Wirkung des Leitungsbandoffsets zwischen Basis und Kollektor zu minimieren. Im Gegensatz zum Al0.2Ga0.8As-Kollektor gelingt hier ein gradierter Übergang aufgrund der auftretenden Entmischung beim Wachstum von InxGa1-xAsyP1-y nicht. Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion des Blockadeeffekts besteht darin pn- und Hetero-übergang durch Einbringen einer GaAs-Zwischenschicht zu separieren, und so den in das kollektorseitige Verarmungsgebiet verschobenen Leitungsbandoffset energetisch abzusenken. Zusätzlich wird eine pulsartig hoch n-dotierte Schicht am Beginn des Ga0.5InP-Kollektors eingebracht. Simulationsdaten zeigen, dass diese Pulsdotierung entscheidend für das Erreichen der erforderten kritischen Stromdichte von 3x10^4 A/cm² ist. Der D-HBT mit Ga0.5InP-Kollektor zeigt schließlich bei Kleinsignalansteuerung ein fT = 29 GHz und erweist sich gegenüber dem HBT mit GaAs-Kollektor klar im Vorteil (fT = 20 GHz). Die Arbeit befasst sich darüber hinaus mit weiteren wichtigen Voraussetzungen zum Erreichen hoher Ausgangsleistungen. So wird die Wirkungsweise eines in die Emitterstruktur integrierten Ballastwiderstandes zur Stromgegenkopplung untersucht, und die Ballastschicht-struktur geeignet angepasst. Als beste thermische Anbindung des HBT-Chips erweist sich die Flip-Chip-Montage auf einem Diamantträger. Der thermische Widerstand konnte dadurch auf Rth = 14 K/W bei einer Transistorfläche von Ae = 4000 µm² abgesenkt werden. Ein auf diese Weise optimierter HBT erreicht "state-of-the-art" Werte mit einer maximalen Ausgangsleistung von Pout = 14 W bei 2 GHz und 28 V Arbeitspunktspannung (PAE=71 %, G=13.5 dB).The thesis is about the realization of High-Voltage High-Power GaAs/Ga0.5InP-HBTs evolved from low power GaAs/Ga0.5InP -HBTs targeted at mobile communication markets. HBT layer growth is based on Metalorganic Vapour Phase Epitaxie (MOVPE) using a commercially available 5x4"-planetary reactor. Subsequent processing using a 2-Mesa approach forms the actual HBT devices. The main focus of the work is the modification of the base-collector junction design with respect to high breakdown voltages. These are necessary for a targeted operation bias of Uop = 28 V, e.g. as is required in power amplifiers for base stations. Thus, a breakdown voltage of BV > 56 V is required. It is first shown how the breakdown voltage increases when increasing the thickness of the GaAs collector while the doping concentration is lowered in parallel. A HBT with a 2.8 µm thick GaAs-collector shows BVcbo = 65 V. An alternative approach to increase breakdown voltage is the usage of a wide-gap collector material with a higher critical electrical field. This so called double heterojunction bipolar transistor (D-HBT) is addressed in more detail by first introducing an Al0.2Ga0.8As-collector. Current-blocking effects were successfully suppressed by separating pn- and heterojunction at the base-collector interface using a composition-graded intermediate layer. Record values for the collector breakdown voltage of up to 85 V for a collector thickness of 2.8 µm were obtained. However, this attempt mainly served as a proof-of-concept before realizing a more challenging D-HBT using a Ga0.5InP-collector. For a given breakdown voltage the use of Ga0.5InP allows for an even lower collector thickness compared to Al0.2Ga0.8As, caused by the higher critical electrical field. Moreover, collector thickness is an important issue when it comes to collector transit time and overall device topology and makes this approach more favourable. The main difficulty using an Ga0.5InP -collector is the suppression of current blocking while not significantly lowering breakdown voltage. In contrast to an Al0.2Ga0.8As-collector using Ga0.5InP does not allow for a composition-graded intermediate layer due to decomposition during growth, i.e. a miscibility gap in the resulting quaternary material InxGa1-xAsyP1-y. Nevertheless, pn- and heterojunction separation was achieved by placing an nid-GaAs-spacer layer between base and collector, and by additionally putting a highly n-type pulse doped layer at the start of the collector. This way record values for the base-collector breakdown voltage of up to 75 V for a 1.5 µm thick collector were reached. In parallel, this D-HBT shows a critical current density of 3´104 A/cm2 that is very much comparable to that of the S-HBT, thanks to an optimized base-collector-heterojunction. The D-HBT with Ga0.5InP -collector shows fT = 29 GHz under small-signal operation, and is thus superior to the S-HBT (fT = 20 GHz). Beyond this the work also discusses other important requirements to reach high output power levels. Regarding this the mode of operation of an integrated emitter ballast resistor is investigated and the layer structure is appropriately adjusted. Furthermore the best thermal coupling of the HBT-chip was achieved with flip-chip mounting on a diamond sub-mount. This way the thermal resistance of a 20x2x100 µm² area device could be lowered down to Rth = 14 K/W. Such an optimized HBT device was able to deliver Pout = 14 W at Uop = 28 V with a PAE = 71 % and G = 13.5 dB, and thus shows state-of-the-art performance compared to other GaAs-based HBTs