3D heterogeneous integration of high performance high-K metal gate GaN NMOS and Si PMOS transistors on 300mm high-resistivity Si substrate for energy-efficient and compact power delivery, RF (5G and beyond) and SoC applications

NMOS逻辑 PMOS逻辑 材料科学 光电子学 基质(水族馆) 晶体管 氮化镓 电阻率和电导率 MOSFET 电气工程 纳米技术 工程类 电压 海洋学 地质学 图层(电子)
作者
Han Wui Then,Changyang Huang,B. Krist,K. Jun,Kevin Lin,N. Nidhi,Thoe K. Michaelos,Brennen K. Mueller,R. Paul,J. Peck,W. Rachmady,Sandeepan DasGupta,D. Staines,Tushar K. Talukdar,N. Thomas,Tristan A. Tronic,P. Fischer,W. Hafez,M. Radosavljević,P. Agababov
出处
期刊: 卷期号:: 17.3.1-17.3.4 被引量:103
标识
DOI:10.1109/iedm19573.2019.8993583
摘要

We have demonstrated industry’s first 300mm 3D heterogeneous integration of high performance, low-leakage high-K dielectric metal gate enhancement-mode (e-mode) GaN NMOS and Si PMOS transistors on 300mm high-resistivity (HR) Si(111) substrate, enabled by 300mm GaN MOCVD epitaxy and 300mm 3D layer transfer. The fabricated (bottom device layer) high-K dielectric e-mode GaN NMOS transistors, integrated on a 300mm HR Si(111) substrate, show excellent electrical characteristics and figure-of-merits (FOM) for realizing energy-efficient, compact voltage regulators and RF front-end components such as power amplifiers, low-noise amplifiers and RF switches, with (i) I OFF as low as 100pA/μm (V D =5V, V G =0V), (ii) high I D,max =1.5mA/μm; (iii) R ON as low as 610Ω-μm, significantly better than industry-standard Si transistors at equivalent drain breakdown (BV D ), (iv) excellent RF performance: f T =190GHz, f MAX =300GHz, PAE=56% at mmwave frequency (f=28GHz), and PAE=70% at sub-7GHz (f=5GHz), significantly better than industry-standard GaAs and Si RF transistors, (v) excellent RF switch FOM, R on C off =110fs, and (vi) low noise figure, NF min =1.36dB (f=28GHz), 0.4dB (f=5GHz) and 0.27dB (f=1.8GHz), all at SoC-compatible voltages. The fabricated (top device layer) L G =65nm and 130nm Si PMOS transistors, which are monolithically integrated on top of the bottom GaN NMOS transistors by 300mm 3D layer transfer, show respectively, high drive current of 0.85mA/μm, and low I off of 150pA/μm at V D =-1.2V. Such a monolithic 3D integration of GaN NMOS and Si PMOS enables full integration of energy-efficient, truly compact power delivery and RF solutions with CMOS digital signal processing, logic computation and control, memory functions and analog circuitries for next generation power delivery, RF (5G and beyond) and SoC applications.
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