Dispositivi attivi a microonde
e tecnologie di fabbricazione
di circuiti planari
Parametri dei pricipali Semiconduttori
350
Confronto tra Silicio e GaAs
Vantaggi del GaAs:
• Minore tempo di transito dei portatori
• Temperatura max di lavoro più elevata (350° contro 200°)
• Maggiore resistenza alle radiazioni
• Substrati ad elevata resistività (isolamento intrinseco, bassi valori
dei parametri parassiti)
Svantaggi del GaAs:
• Minore robustezza meccanica
• Minore conducibilità termica
• Difficile controllo degli stati superficiali (concentrazione inpurità
elevata negli ossidi  realizzazione MOS non conveniente)
Transistors Bipolari
p
+
C
p
n
or
ect
o ll
+
+
n +
ne
p
Em
pi t
a
xy
iC
it te
r
n
p
n +
p
+
i
se
Ba
E
ne
n
+
bu
rie
d
p
a
pi t
xy
p
+
p
i
B
l ay
er
p
Active Transistor
Region
+
p
p
Struttura per dispositivi di potenza
Transistors unipolari
Funzionamento del MESFET
• Elevata mobilità dei portatori  alta corrente  elevata
frequenza operativa
• Key parameter: lunghezza L del canale
• Sono convenienti solo dispositivi a canale n
• Isolamento intrinseco operato dal substrato non drogato
Transistor ad alta mobilità (HEMT)
Eterogiunzione: giunzione tra semiconduttori con differente band-gap
Nella struttura in figura vengono utilizzato il GaAlAs e il GaAs
Lo strato n-GaAlAs serve per realizzare la giunzione MS di gate (controllo)
All’interfaccia tra GaAlAs e GaAs si crea uno strato di elettroni ad elevata mobilità
orizzontale (gas bidimensionale).
La condicibiltà source-drain è controllata dalla tensione di gate (come nei MESFET)
Peculiarità dell’HEMT
•
Elevata mobilità degli elettroni nel gas bidimensionale: 7000-8000
cm2v-1s-1 contro 5000 cm2v-1s-1 nel GaAs drogato n
•
La mobilità cresce ulteriormente raffreddando il dispositivo: a 77 °K si
raggiungono valori dell’ordine di 70000 cm2v-1s-1. Ovviamente
migliorando anche le prestazioni di rumore
•
Il canale tra drain e source à meglio confinato rispetto ai MESFET; ciò
si traduce in un incremento di transconduttanza anche per piccoli valori
della corrente di drain. Migliorano anche la figura di rumore e la
conduttanza di uscita
•
Recentemente sono stati introdotti i pHEMT (HEMT pseudomorfici).
Sono caratterizzati da uno strato aggiuntivo di InGaAs tra GaAs e
GaAlAs. Ciò consente un ulteriore incremento della frequenza
operativa massima; anche la corrente ID a parità di tensioni applicate e
di geometria cresce di un fattore 2 rispetto ad un HEMT tradizionale
Transistor ad eterogiunzione (HBT)
Semi Insulating
GaAs
E’ possibile realizzare dispositivi BJT operanti a frequenze elevate
con l’impiego di eterogiunzioni su GaAs.
In figura la giunzione base-emettitore è realizzata tra p-GaAs ed nGaAlAs. Si incrementa la ft poichè la struttura del transistor è
verticale e la lunghezza della base coincide con lo spessore dello
strato epitassiale p+ (dimensioni tipiche 10-20 nm)
Con gli HBT si possono realizzare oscillatori a basso rumore di
fase (frequenza di corner del rumore 1/f molto bassa)
Tecnologie di fabbricazione dei
circuiti a microonde planari

Circuiti stampati tradizionali:




Circuiti integrati:



Singolo strato di dielettrico (metallizzato da un lato)
Componenti attivi e passivi discreti (montaggio
superficiale, via hole, ecc)
Interconnessioni, linee e componenti distribuiti
realizzati tramite “stampaggio”
Tecnologie ibride (film spesso, film sottile, LTCC…)
Teconologie monolitiche (MMIC su GaAs, SiGe…)
Packaging


Moduli inseriti in contenitori metallici
Case per circuiti integrati (interconnessioni,…)
Fotolitografia: definizione di pattern
geometrici riportati su basi dielettriche
Si deposita un emulsione sensisibile alla luce ultravioletta
(fotoresist) sul substrato rivestito di SiO2; si realizza
un'immagine su lastra fotografica della geometria da ottenere
(fotomask)
La maschera fotografica si pone a stretto contatto con il
fotoresist; si espone quindi alla luce ultravioletta per
impressionare il fotoresist
Immagine negativa: con attacco chimico si rimuove il
fotoresist dove non é stato impressionato (alla fine l'ossido viene
rimosso solo in corrispondenza del pattern)
Immagine positiva: tutto il fotoresist impressionato viene
rimosso (alla fine l'ossido rimane in corrispondenza del pattern)
Con un opportuno solvente si rimuove l'ossido (immagine
negativa)
Dal circuito elettrico alla
realizzazione fisica
7 GHz Microwave FET Amplifier
MRSTUB2
ID=st ub2
Ri= 10 mi l
Ro= 185 mi l
Th eta =60 Deg
MSU B= sub1
MLIN
ID= TL13
W= 10 mi l
L=50 mil
MSUB=sub1
3
2
PORT
P=1
Z =50 Ohm
MLIN
ID =TL 1
W =75 m il
L=2 00 m il
MSUB= sub1
CH IPCAP
ID=C1
C= 3. 3 pF
Q =538 .4
F Q= 0.5 G Hz
F R=5.1362 G Hz
ALPH= 1
SUBCKT
I D=S1
NET= "fsx0 17wf1"
SUBC KT
ID= S2
NET=" Inpu t M atchi ng Netwo rk"
1
2
MLIN
ID =TL 7
W =25 m il
L=5 m il
MSU B= sub1
CHI PCAP
ID=C5
C= 1000 pF
Q =262.4
F Q=0 .00 1 G Hz
F R=0.247 GH z
ALPH=1
MST EPX$
ID=M S4
Of fset= 0 m i l
ML IN
ID= TL1 6
W= 50 m il
L=10 m il
MSUB= su b1
M LIN
I D=T L8
W =3 0 mil
L= 95 mi l
M SUB=sub1
R ES
ID= R6
R =51 Ohm
MST EPX$
ID =MS6
Off se t= 0 mil
M LI N
ID=T L9
W =19 0 m il
L= 120 mi l
M SUB=sub1
3
RES
I D=R4
R= 300 Ohm
RES
I D=R5
R= 300 Ohm
3
1
M TEEX$
ID=M T 1
1
MTEE
ID =Te e2
W 1=10 m il
W 2=10 m il
W 3=10 m il
MSUB= su b1
1
2
M LIN
ID=T L11
W =1 0 m il
L =268 m il
M LIN
I D=T L10
W =75 mil
L= 50 m i l
M SUB= sub1
2
3
M LIN
ID =TL 2
W =10 mil
L=6 8 m il
M STEPX$
ID=M S5
O ffset=0 m il
2
3
M SUB
Er=3.38
H= 32 mi l
T =0.7 mi l
Rho =1
T and=0 .00 22
ErNom =3. 38
Nam e= sub1
1
MT EEX$
ID= MT 2
M LIN
ID=TL 12
W =10 m il
L=5 0 m il
M SU B= sub1
RES
I D=R2
R= 51 Ohm
M LIN
ID=T L15
W =5 0 m il
L= 10 mi l
M SUB=sub1
CH IPCAP
I D=C 2
C= 3.3 p F
Q =538 .4
F Q= 0.5 G Hz
F R=5. 136 2 G Hz
ALPH= 1
M LIN
ID=TL 14
W =75 m il
L=2 36 mi l
M SU B= sub1
RES
ID=R3
R= 18 Ohm
PORT
P=2
Z =50 Ohm
CHIPCAP
ID=C3
C=1 000 pF
Q= 262.4
FQ =0.001 G Hz
FR =0.247 GHz
ALPH=1
Circuito
M RSTUB2
ID=stub1
Ri= 10 mi l
Ro= 185 mi l
T heta =60 Deg
M SUB= sub1
Layout (singolo
strato)
Realizzazione
Substrato: FR4
Conduttore: Rame
Maschera: Positiva
Rimozione del conduttore in eccesso per
via chimica
Limiti tecnologici del circuito
stampato tradizionale




Dimensioni minime delle forme geometriche limitate
dalla precisione (tipicamente 50-100 m)
Densità del circuito limitata dal case dei componenti
discreti
Interazioni elettromagnetiche con il contenitore del
circuito (risonanze spurie)
Problematiche che si aggravano al crescere della
frequenza
Circuiti integrati ibridi
L’integrazione ibrida consente di:
 Realizzare componenti passivi con lo stesso processo di
fabbricazione dei conduttori
 Utilizzare componenti attivi privi del case ( riduzione
dell’ingombro)
 Incrementare la precisione delle forme geometriche
(Dimensioni minime linee/gap 10-100 m)
 Incrementare la densità di componenti mediante
l’impiego di strutture multistrato
Circuiti integrati a “Film Sottile”
“Film Sottile” si riferisce a strati di materiale depositati su un
substrato, in genere isolante, aventi spessori estremamente bassi,
dell’ordine di 0,1 µm, le cui proprietà sono fortemente influenzate
sia dallo spessore dello stesso che dalla natura e finitura
superficiale del substrato, dalle temperature a cui avviene il
deposito etc.
La tecnologia del “Film Sottile” permette di integrare sul
substrato:
- linee conduttive e “microstrisce”
- resistori
- induttori
- capacità
- cross-over
Caratteristiche dei substrati






uniformità e anisotropia della
costante dielettrica
uniformità dello spessore
uniformità della finitura superficiale
(rugosità)
robustezza meccanica
basso coefficiente di dilatazione
buona conducibilità termica
Substrati tipici: parametri vari
Common Substrates Materials and Their Applications
Material
Alimina (Al2O3) 99.6%
Beryllia (BeO)
Aluminium-Nitride (AlN)
Quartz (SiO2)
Titanates
Ferrite
Sapphire
Typical Users
Low to medium power DC/RF or
Microwave circuits using Si or GaAs
Ics
High-power DC/RF/Microwave
circuits using Silicol or GaAs Ics. High
power terminations
High-power DC/RFMicrowave circuits
using silicon and GaAs ICs
Microwave/millimeter-wave circuits
requiring extremely low loss or loss
CTE
RF/Microwave amplifier or oscillators
requiring High-Q resonators and
transformers
RF/Microwave circulator/isolators
Millimeter-wave/optical circuits with
special electrical or mechanical
requirements
Comments
Cost-effective material with
wide range of applications
Extremely high thermal
conductivity
Optimal CTE match with
silicon devices
Low Loss Tangent and GTE
Smooth surface finish
Dielectric constants
available from 12-100
Magnetically activated
material
Low Loss Tangent, Optical
surface finish
Materiali utilizzati nella
tecnologia del film sottile
Conduttori:
• Oro (3-9 m galvanico)
• Palladio (2500 Å, sputtering)
• Titanio (500 Å, sputtering)
Servono per migliorare la
conducibilità e garantire
l’adesione con lo strato
resistivo sottostante
Resistori:
• Tantalio
• NiCr
Dimensioni minime linee/gap: 10-50 m
Precisione: 2-10 m
Realizzazione dei film
Sputtering:
Il materiale viene portato in un
reattore allo stato di plasma. Le
particelle cariche sono accellerate
e spinte contro il substrato su cui si
depositano formando il
film
(spessori tra 500 e 3000 A)
Elettrochimica:
Accrescimento tramite
galvanico.
processo
Fabbricazione di un circuito a
film sottile (1)
Substrato
Fotoresist
Strato Tantalio
(resistori)
Pattern conduttori
+ resistori
Strato Titanio
(conduttori)
Deposizione oro
(galvanica)
Strato Palladio
(adesivo)
Rimozione
fotoresist
Fabbricazione di un circuito a
film sottile (2)
Rimozione Palladio
Rimozione Oro +
palladio
Rimozione Titanio +
Deposizione fotoresist
Accrescimento elettrolitico dell’oro
Rimozione Titanio
Pattern del resistore
Rimozione Fotoresist
Lavorazioni meccaniche
Via hole: Consiste in un foro metallizzato che collega lo
strato conduttivo con la faccia inferiore del substrato
(metallizzata). Il foro deve essere metallizzato al suo
interno (oro). I via holes fanno parte degli strati
conduttivi; la foratura viene eseguita via laser prima
della deposizione dei film conduttivi.
Forature del substrato: sono richieste per il fissaggio del
circuito al contenitore. Sono realizzate via laser o con
trapani ad ultrasuoni dopo la realizzazione del circuito.
Altri componenti: bridges in aria
Esempi
Circuiti a “Film spesso”
In applicazioni in cui è richiesta una minore precisione realizzativa
la tecnologia del film spesso è più conveniente economicamente
rispetto al film sottile.
Caratteristiche generali della tecnologia:
• Dimensioni minime linee: 50-100 m
• Tolleranza: 10-50 m
• Pattern trasferito su telaio a trama di fili
• Substrati: analoghi al film sottile
• Materiali impiegati:
– Conduttori: Oro, rame, argento
– Resistori: impasti di resine speciali
• Possibilità di realizzare circuiti a più strati
Realizzazione del circuito
a film spesso
Possibilità offerte dal film spesso
Componenti di base
Esempi di realizzazioni in
film spesso
Filtro a 38 GHz “Edge-coupled”
Amplificatore lineare 13-15 GHz
Esempi di sistemi completi
Tecnologia LTCC (cenni)
“LTCC” è un acronimo per:
Low Temperature Cofired Ceramic
Con questa tecnologia di integrazione è possibile realizzare strutture
multistrato contenenti componenti passivi di dimensioni estremamente
compatte. Si possono aggiungere componenti attivi sul primo e ultimo
strato
Realizzazione di circuti LTCC
Packaging di circuiti a microonde
Soluzione tradizionale:
Circuito ibrido inserito in un
contenitore di materiale conduttore
Soluzione innovativa
Tecnologia “chip & wire”: contenitore
di dimensioni compatte; connessioni
con fili. Adatto per circuiti a
componenti in chip (senza case)
Confronti