Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
IGE-XAO
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Materiały III-V w układach scalonych dla technologii 5G

ghost666 03 Lis 2019 17:46 327 0
  • Materiały III-V w układach scalonych dla technologii 5G
    W większości obecnych urządzeń elektronicznych używane są krzemowe układy CMOS. Krzem w zaawansowanych systemach komunikacyjnych osiąga jednakże swoje granice - ograniczenia, które przekładają się między innymi na problemy termiczne. Właśnie dlatego obecne urządzenia mobilne 5G na rynku grzeją się coraz bardziej i, co za tym idzie, nie są w stanie działać zbyt długi czas. Różne firmy i organizacje, w tym IBM, Uniwersytet Naukowo-Technologiczny z Hongkongu oraz Massachusetts Institute of Technology (MIT), eksperymentują wspólnie nad integracją krzemu ze złożonymi półprzewodnikami, aby obejść tego rodzaju problemy.

    Urządzenia elektroniczne w niedalekiej przyszłości będą musiały zawierać w sobie liczne czujniki i przesyłać dane bezprzewodowo do swojego centrum sterowania (komunikując się np. przez sieć 5G). Oznacza to, że układy będą musiały w swojej strukturze łączyć moduły RF, niską pobieraną moc i niewielki rozmiar. Obiecującym podejściem do osiągnięcia tych celów jest wytwarzanie pojedynczych, zintegrowanych układów scalonych, które wykorzystują możliwości krzemowych układów CMOS z urządzeniami wykorzystującymi półprzewodniki III-V.

    Materiały III-V ot elementy w trzeciej i piątej kolumny układu okresowego; przykłady obejmują azotek galu (GaN) i arsen galu indu (InGaAs). Dzięki swoim unikalnym właściwościom nadają się one wyjątkowo dobrze do zastosowań w optoelektronice (np. z nich robi się diody LED) i komunikacji (RF, w szczególności technologie 5G), zwiększając w ten sposób ogólną wydajność systemu.

    Chipy i sieci 5G

    5G to nie tylko szybszy 4G. Sieci wykorzystujące 5G będą nawet do 20 razy szybsze niż istniejąca sieć bezprzewodowa 4G, umożliwiając do 10 razy szybsze pobieranie plikow wideo. 5G jest uważane za sieć, będącą kandydatem do budowy na infrastruktury do zarządzania Internetem Rzeczy (IoT).

    Sieć 5G doprowadzi do jeszcze większego wyrafinowanych usług aplikacji w chmurze, i do stworzenia inteligentnego i połączonego społeczeństwa, korzystającego z szerokiego interfejsu z inteligentnymi miastami, samochodami autonomicznymi i nowymi platformami przemysłowymi (przemysłowy Internet Rzeczy - IIoT). Aby to wszystko było jednakże możliwe, konieczne jest zbudowanie odpowiednich układów scalonych, niezbędnych do realizacji tych zadań. Wciąż potrzebne jest wiele pracy projektowej do wykonania i testów oraz pomiarów do zrobienia. Do najtrudniejszych przeszkód należy ewolucja standardów i związane z nią przyjęcie technologii fali milimetrowej (mmWave) przy jednoczesnym kontrolowania kosztów całego rozwiązania.

    MIT, wraz z swoimi partnerami z Singapuru, stworzył konsorcjum SMART, które wykazało w ostatnim czasie sukcesy w zakresie rozwoju komercyjnie opłacalnego sposobu produkcji obwodów krzemowych zintegrowanych z wysokowydajnymi urządzeniami III-V. „Większość obecnych urządzeń wykorzystuje krzemowe układy CMOS, które są używane do obliczeń, ale nie są wydajne w zakresie systemów mocy czy komunikacji. Powoduje to niską sprawność i wytwarzanie ciepła przez te elementy” powiedział Fayyaz Singaporewala, starszy kierownik ds. Innowacji w interdyscyplinarnej grupie badawczej Low Energy (LEES) w SMART.

    Gęstość mocy w technologii GaN uczyniła z niej punkt zwrotny dla przemysłu, a liczba takich urządzeń wykorzystywanych w aplikacjach mocy i innych sektorach cały czas rośnie. Niebawem cena tych elementów osiągnie poziom, który sprawi, iż elementy GaN będą atrakcyjną alternatywą dla całehgo rynku konsumenckiego, niezwykle świadomego kwestii budżetowych. Technologie te mogą łączyć szybkie konwertery z komponentami mikrofalowymi w jednej strukturze, w tym ze wzmacniaczami mocy i obwodami polaryzującymi.

    „Technologia krzemowa CMOS może osiągnąć sprawność energetyczną (PAE) rzędu 20%, podczas gdy urządzenia GaN mogą osiągnąć PAE 50% lub więcej. Zaletą technologii krzemowej CMOS jest większa integracja dodatkowych funkcji (takich jak cyfrowe sterowanie na chipie, czy systemy przetwarzania sygnałów). Technologia opracowana przez SMART pozwala nam wykorzystać to, co najlepsze z obu tych światów, co ma kluczowe znaczenie dla technologii 5G” komentuje Kenneth Lee, starszy dyrektor naukowy grupy LEES w konsorcjum.

    5G musi zapewniać nie tylko najwyższe prędkości transmisji danych, ale także opóźnienie mniejsze niż 1 ms. Ze względu na właściwości protokołów internetowych, mniejsze opóźnienia są niezbędne do osiągnięcia wyższych szybkości przesyłania danych. W szczególności istotne jest to np. w motoryzacji, gdzie ważne jest wykorzystanie komunikacji dla bezpieczeństwa, w szczególności, aby drastycznie zmniejszyć ryzyko śmiertelnych wypadków.

    „Nowe urządzenia umożliwią funkcjonowanie wielu nowych urządzeń 5G, ponieważ obecna technologia nie może nadążyć za wymaganiami tej technologii. Nasza technologia pozwoli na stworzenie układów, które mogą spełnić wszystkie odpowiednie specyfikacje 5G w ramach napiętych budżetów energetycznych i ograniczeń przestrzennych, złożonych urządzeń mobilnych. Chipy z krzemu i materiałów III-V umożliwią stworzenie mobilnych urządzeń 5G, które pracować będą w samochodach, urządzeniach mobilnych itp. i w ten sposób przyspieszą przyjęcie 5G” komentuje Lee.

    Technologia oparta jest głównie na dwóch warstwach krzemu i materiałów III-V na oddzielnych podłożach, składanych razem w strukturę o grubości około 1 mikrona. Proces ten może wykorzystywać istniejące narzędzia produkcyjne, oferując zdecydowaną redukcją kosztów i wydajnymi systemami elektronicznymi. Przegląd schematu przetwarzania LEES pokazano na rysunku 1.

    Materiały III-V w układach scalonych dla technologii 5G
    Rys.1. a) Warstwa krzemu CMOS o grubości 1 µm jest łączona z płytką z półprzewodnika III-V na krzemie, wytworzoną za pomocą epitaksji. b) Okna są trawione na obszarach wolnych od CMOS, aby odsłonić leżące poniżej warstwy III-V, a następnie wytwarzane są urządzenia III-V. c) Warstwa dielektryczna jest osadzona na wierzchu układu. d) Ścieżki są tworzone w celu kontaktu z urządzeniami III-V. e) Dielektryk jest osadzany i spłaszczany za pomocą chemiczno-mechanicznego polerowania. f) Fabryka krzemu łączy krzemowe urządzenia CMOS i III-V za pomocą typowych połączeń wzajemnych w celu zakończenia procesu integracji.


    SMART LEES ma grupę termiczną/niezawodnościową, której zadaniem jest badanie profilu termicznego projektowanych układów scalonych i opracowywanie solidnych rozwiązań zarządzania termicznego. Kontrola urządzenia III-V pozwala na tworzenie układów wydajnych termicznie, a zasady projektowania integracji CMOS + III-V zostały również stworzone w celu ograniczenia problemów termicznych. „Nasza grupa, zajmująca się temperaturą i niezawodnością opracowała także technologie ekstrakcji ciepła z przodu i tyłu układu, w celu ograniczenia liczby punktów zapalnych i umożliwienia chłodniejszego działania urządzeń” mówi Lee.

    Obwody hybrydowe są również w stanie zaoferować lepszą stabilność i mniejszy poziom szumu, a w konsekwencji pozwoli to na znaczny wzrost funkcjonalności, złożoności i wydajności obwodu, wszystko to bez konieczności zmniejszania wielkości urządzenia lub zwiększania liczby tranzystorów w strukturze.

    Obecnie badania SMART koncentrują się na dwóch rodzinach materiałów III-V: azotkach, które są przeznaczona do zastosowań w systemach o dużej mocy oraz niebieskich i zielonych diodach LED; oraz rodzina fosforków arsenu, przeznaczona do takich zastosowań, jak wzmacniacze mocy o bardzo wysokiej częstotliwości, wzmacniacze o niskim poziomie szumów oraz żółte i czerwone diody LED.

    Wyzwanie polega na integracji warstw krzemu CMOS i materiałów III-V. Sukces wynika przede wszystkim z produkcji krzemowych urządzeń CMOS, aż do momentu tuż przed połączeniem obu materiałów, dzięki czemu dielektryk międzywarstwowy pokrywa krzemowe tranzystory CMOS. Następnie płytki są przenoszone do struktury SMART w celu integracji materiału III-V. Przeniesienie krzemowych warstw CMOS na każdym waflu do warstw III-V obejmuje szereg faz wiązania, osadzania tlenku i polerowania chemiczno-mechanicznego. Wiązanie wykonuje się za pomocą bezpośredniego i ulepszonego procesu stapiania poprzez kolejne wyżarzanie uzyskując strukturę, jaką pokazano na rysunku 2.

    Materiały III-V w układach scalonych dla technologii 5G
    Rys.2. Istnieje szereg narzędzi CAD wprowadzonych przez SMART do wdrażania nowych rozwiązań układowych.


    Podsumowanie

    „Krzemowe półprzewodniki zrewolucjonizowały przemysł elektroniczny i nadal dominują w mikroprocesorach i segmentach pamięci. Półprzewodniki III-V mogą ponownie zrewolucjonizować branżę i zapewnić szeroki zakres innowacji, od 5G po Internet Rzeczy i inteligentne pojazdy. Złożone półprzewodniki mają różnorodne właściwości, które przydadzą się w tych unikatowych aplikacjach. Kluczową z nich jest znacznie wyższa efektywność energetyczna i unikalne właściwości optyczne, które krzem dopiero stara się osiągnąć” podsumował Singaporewala.

    Szacunki wskazują, że rynki 5G i oświetlenia/układów mocy mają łączny potencjał rynkowy w wysokości ponad 100 miliardów dolarów. „Jednak, aby uwolnić ten ogromny potencjał, niezbędna jest integracja ze światem krzemu. Wykorzystując zoptymalizowaną metodykę projektowania i produkcji krzemu oraz stosując elegancką metodologię integracji opracowaną przez LEES, urządzenia III-V będą mogły przekształcić obecne aplikacje, definiując system nowej generacji. Ta nowatorska integracja wywoła nową falę aplikacji” dodaje Lee.

    GaN jest bardziej energooszczędny niż krzem w RF. Wiele firm zrzesza się, by integrować elementy w technologii GaN z krzemem na rynku systemów radiowych, również poza sektorami urządzeń mobilnych, bezprzewodowymi stacjami bazowymi i powiązanymi aplikacjami dla infrastruktur telekomunikacyjnych. Firmy takie jak MACOM i STMicroelectronics pracują nad produkcją 150 mm podłożami GaN-on-Silicon (GaN na krzemie) dla światowego wdrożenia systemów 5G w telekomunikacji.

    Źródło: https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1335227

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9475 postów o ocenie 7233, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • IGE-XAO