SEMICONDUCTORES ORGÁNICOS: MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits)

Los circuitos MMI o MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) son un tipo de circuitos integrados que operan en frecuencias de microondas, es decir, entre 300 MHz y 300 GHz. La técnica de fabricación de los circuitos MMIC se basa en la utilización de líneas de transmisión planares, y se realiza con compuestos de semiconductores compuestos, tales como el arsenurio de galio (GaAS), nitrato de galio (GaN) y el germanio de silicio (SiGe).

Las entradas y salidas de los dispositivos MMIC se adaptan, generalmente, con una impedancia característica de 50 ohmios. Esto facilita el uso de dichos dispositivos, así como su uso en forma de cascada, ya que no requieren red de adaptación externa. Adicionalmente, la mayoría de los equipamientos de pruebas de microondas se diseñan para operar en unas condiciones de 50 ohmios.

Los MMIC son dimensionalmente pequeños (desde 1 mm2 a 10 mm2) y pueden ser producidos a gran escala, lo que ha facilitado su proliferación en dispositivos de alta frecuencia, como pueden ser los teléfonos móviles.

Historia

Entre 1930 y 1960 la tecnología de microondas consistía en la utilización de guías de ondas para la creación de circuitos, lo que conllevaba que el proceso de fabricación fuese largo y costoso. La revolución aparece sobre 1960 con la aparición de la tecnología planar y la producción de materiales dieléctricos más baratos y con menos pérdidas, dando lugar a la tecnología MIC (Microwaves Integrated Circuits).

Ésta tecnología evoluciona a los MIC monolíticos (MMIC) cuando en 1975 Ray Pengelly y James Turner publican su estudio “Monolithic Broadband GaAs FET Amplifiers”, convirtiéndose así en los padres e inventores de los MMIC. Cuando trabajaban en Plessey diseñaron un amplificador de una sola etapa con una ganancia de 5 dB en la banda X que usaba puertas de escritura óptica de 1 micrón. Usaban sistemas de optimización por ordenador para diseñar su elemento, haciendo uniones de estructuras. El proceso de “backside” todavía no había sido inventado, así que los FET tenían toma de tierra externa.

Los primeros MMIC se fabricaron de Arseniuro de Galio (GaAs), el cual tiene dos ventajas fundamentales frente al Silicio (Si), que es el material tradicional para la fabricación de circuitos integrados: la velocidad del dispositivo y el sustrato semi-aislante. Este tipo de circuito usa una solución cristalina para el dieléctrico y la capa activa. El GaAs es útil gracias a su capacidad para trabajar en altas frecuencias y a que su alta resistividad evita interferencias entre dispositivos. Esto permite la integración de dispositivos activos (radiofrecuencia), líneas de transmisión y elementos pasivos en un único sustrato.

En los años 80, la Agencia de Proyectos Avanzados de Investigación de Defensa (DARPA) empezó a realizar un gran esfuerzo para obtener un mayor desarrollo de los circuitos integrados de microondas para sustituir los tubos, cavidades y dispositivos discretos usados en sistemas de telecomunicación y radar. Bajo contratación de DARPA, Northrop Grumman Corporation (antiguamente TRW) consiguió producir con éxito MMICs de GaAs usando Transistores de Alta Movilidad Electrónica (HEMT) y Transistores Bipolares de Unión Heterogénea (HBT).

En los primeros MMICs, todos los circuitos estaban hechos con GaAs MESFET, diodos IMPATT (Impact Ionization Avalanche Transit Time) y diodos varactores, pero con la maduración de la tecnología GaAs se incrementa el uso de Hits, HEMTs y PHEMTs en aplicaciones nicho. En la siguiente tabla se tiene los circuitos usados comúnmente en cada dispositivo, además de los fallos originados en la mayoría dispositivos activos de los MMIC.

Fabricación

Desde hace unas cuantas décadas, los circuitos de microondas de estado sólido eran fabricados exclusivamente en base a componentes discretos que incluían dispositivos de circuitos activos de semiconductor como transistores y diodos. Incluso hoy, el mercado es compartido entre los antiguos diseños y los nuevos. Mientras que los componentes discretos son hechos en base a tecnologías bipolares de silicio, los circuitos MMIC son hechos principalmente de arseniuro de galio (GaAs).

Los circuitos MMIC ofrecen mejoras de ancho de banda sobre los circuitos hechos en base a componentes integrados. La razón de esto es que se evitan pérdidas eléctricas y capacidades parásitas al poderse colocar las redes de acoplamiento más próximamente a los transistores. Este efecto produce un gran avance en la fiabilidad de las aplicaciones que requieren un gran número de elementos. En estas aplicaciones cada módulo del sistema de arrays puede necesitar cerca de tres chips que incorporen amplificadores de potencia, amplificadores de bajo ruido y desplazadores de fase. Los beneficios de la integración de aplicaciones de microondas hasta ahora han sido exclusivamente para los dispositivos de arseniuro de galio. Una razón de que el arseniuro de galio haya sido elegido para este tipo de aplicaciones es que este material tiene una alta movilidad de electrones que incrementa el rendimiento de los dispositivos a altas frecuencias. Mientras que los transistores bipolares pueden ser utilizados a frecuencias de microondas, los circuitos integrados que tienen una movilidad de electrones más baja son generalmente inferiores en frecuencias de microondas. La movilidad de los electrones no es el único parámetro a favor del arseniuro de galio. La gran capacidad de aislamiento del arseniuro de galio también debe ser tomada en cuenta. Ordinariamente el material de silicio es varios órdenes de magnitud más conductivo que el arseniuro de galio limitando esta característica la ganancia máxima que puede estar disponible a altas frecuencias por dispositivos de silicio. Este aislamiento inhibe corrientes parásitas entre electrodos de transistores en el mismo chip que de otra forma afectarían su rendimiento como un circuito de microondas integrado.

Históricamente, y a pesar de los avances en arseniuro de galio descritos más arriba, la utilización de este materias a gran escala ha sido lento debidos a los problemas de fabricación. Estos problemas han incluido la indisponibilidad de material de substrato de arseniuro de galio de gran calidad. Métodos de fabricación no orientados hacia las obleas de rápida respuesta que en silicio han tendido hacia la evolución de una tecnología de fabricación competitiva, y los problemas básicos con un compuesto de semiconductor frente a uno simple. Estos se reflejan en la dificultad del procedimiento de control y ceden en mantenimiento que afecta al coste por unidad. Además de esto la fragilidad física y química del material que hace más compleja la fabricación incluso desde sus inicios. Las obleas de arseniuro de galio se destacan por su fragilidad que desemboca en que sólo la mitad de las obleas sobreviven desde las primeras pruebas de radiofrecuencia. Mientras que la industria de silicio se orienta hacia las obleas de 200 mm, el arseniuro de galio están disponibles desde los 75 mm de diámetro con un coste muy superior al silicio. Hoy en día la producción de arseniuro de galio es una pequeña parte del mercado para dispositivos de silicio. Por lo tanto la penalización en costes asociada con el mayor rendimiento del arseniuro de galio es un punto en contra.

Un subconjunto de la tecnología CMOS es llamada SOI (Silicon On Insulator). Durante la última década, las implementaciones de SOI se han convertido en las preferidas para fabricar circuitos integrados de señal de alta radiación. Un subconjunto de SIO es el SOS (Silicon On Sapphire). Esta tecnología conduce al endurecimiento de los requisitos para mejorar el aislamiento electrónico de los componentes en el substrato. En particular, la distribución del exceso de electrones creada por el bombardeo de radiación es confinada a fin de evitar que cause sobrecargas o errores “débiles”. La misma técnica ofrece una gran mejora en frecuencia. Aun así el problema con la tecnología SOS es que posee una interfaz electrónica imperfecta entre el aislante sobre la que el silicio se deposita y el mismo silicio. Esto resulta en un efecto de “canal de lagunas”. Mientras que las imperfecciones relacionadas con este efecto no dificultan la radiación por sí solas, tienden a deteriorar el dispositivo con respecto a su rendimiento habitual y pueden afectar gravemente las especificaciones normales del circuito. Este efecto puede ser particularmente desastroso en frecuencias de microondas ya que limita la ganancia máxima disponible. Aparte de estas limitaciones el grosor mínimo del dispositivo que puede ser aislado es una contrapartida. Sin embargo hoy en día hay alternativas al silicio sobre zafiro.

En los últimos años una nueva tecnología de materiales de silicio SOI se ha desarrollado. Se llama “Separación por Implantación en Oxígeno” (SIMOX). Para hacer una oblea en esta tecnología se implanta una gran cantidad de oxígeno sobre la sperficie de la oblea. Templando esta superficie convierte esta superficie en una película de cristal aislante. La ventaja de esta técnica sobre el SOS es la disminución del grosor de la capa activa confinando los efectos de la radiación de ionización. Los efectos del efecto de lagunas también es minimizado. Sin embargo, aunque los dispositivos activos están desacoplados del substrato literalmente, permanecen acoplados en cuanto a efectos de capacitancia y por tanto unos con respecto a otros en frecuencias de microondas a causa de las propiedades conductivas del substrato. En otras palabras, a pesar de la capa de aislamiento, inclusive los dispositivos SIMOX no son idóneos para su utilización en circuitos de microondas debido a que el silicio bajo la capa de aislamiento tiene propiedades conductivas a frecuencias de microondas.

A fin de aumentar el rendimiento y disminuir la limitación de costes de las tecnologías actuales, esta técnica permite mejorar la fabricación de circuitos monolíticos en silicio que son capaces de operar en frecuencias de microondas se utilizará un sustrato de silicio de alta resistividad , que se obtiene con una técnica de zona flotante que implanta una capa de aislamiento cerca de su superficie superior, preferiblemente SIMOX. Se forja un plano conductivo en el fondo del sustrato y se forja un circuito en la capa activa de silicio que permanece sobre la capa SIMOX de aislamiento.

Las tecnologías que incrementan el rendimiento en altas frecuencias del MICROX comprenden:

Una superficie inferior de rectificación de contacto.
Replicación de circuitos usando litografía.
Bajo coste microstrip.
Capa de nitrato en el fondo de la oblea durante el procesamiento CMOS.

Este método de fabricación se llama MICROX. Esta técnica conlleva unos costes más de fabricación sobre silicio de circuitos integrados que son operativos a frecuencias de gigahercios. Como toda tecnología basada en silicio, MICROX saca partido de la amplia infraestructura de fabricación que conllevan los dispositivos modernos. Para aplicaciones que necesitan de un gran número de dispositivos como los sistemas de comunicaciones modernos, la implementación de dispositivos MICROX puede hacer disponible grandes cantidades de circuitos integrados para aplicaciones de microondas.

Quizás la ventaja más importante de GaAs es que sus electrones son acelerados a velocidades más altas, por lo que atraviesan el canal de transistor en menos tiempo. Esta mejora de la movilidad de electrones es la propiedad fundamental que permite trabajar a frecuencias más altas y velocidades de conmutación más rápidas. Mientras que la principal razón de hacer transistores de GaAs es la mayor velocidad en el funcionamiento, que se consigue con una frecuencia máxima de operación más alta o velocidades de conmutación más altas, las propiedades físicas y químicas de GaAs hacen que su empleo en la fabricación de transistores sea difícil. Los inconvenientes del GaAs son una conductividad térmica inferior y un coeficiente de expansión térmica más alto que el silicio y el germanio. Sin embargo, como las nuevas aplicaciones de mercado exigieron el funcionamiento más alto que podría ser alcanzado sólo con la máxima dinámica de los electrones de GaAs, estos obstáculos han sido vencidos. Los mercados que llevaron a los avances en el crecimiento del material y las técnicas de fabricación de semiconductores de GaAs son la industria de defensa y espaciales. Estas requirieron sistemas con circuitos de frecuencia más alta para radares, comunicaciones seguras, y sensores. La madurez de GaAs condujo a la aparición de nuevos mercados, como redes locales inalámbricas (WLANs), sistemas de comunicación personales (PCSs), el satélite de difusión directa (DBS) la transmisión y la recepción por el consumidor, sistemas de posicionamiento global (GPS) y la comunicación global celular. Estos mercados comerciales requirieron la introducción de tecnología basada en GaAs para encontrar utilidades a los sistemas que no eran alcanzables con el silicio y el germanio. Una desventaja del GaAs es el coste y la disponibilidad respecto al silicio. Existen muchas reticencias en lo relativo al uso del GaAs como pueden ser: -El entendimiento de los mecanismos a la hora de implementar sistemas de silicio es más sencillo -El coste del GaAs es mucho más elevado que el del silicio -El uso del silicio en sistemas de baja frecuencia, y en sistemas de integración a gran escala ha desarrollado técnicas muy fuertes para producción industrial. Sin embargo cuando el coste de fabricación es comparado al funcionamiento, el valor añadido al sistema al usar tecnología GaAs en la mayoría de los casos justifica los pagos producidos por el aumento del coste de fabricación. Al tiempo que WLAN, PCS, DBS, el GPS, y mercados celulares crecen, el coste para fabricar GaAs disminuirá, y la duda de usar GaAs más que el silicio dependerá de la capacidad de GaAs de satisfacer las necesidades técnicas del mercado.

Los diodos PIN (p-type-insulator-n-type) de GaAs no estaba disponible para los diseñadores de MMIC. Ésta se debía a su rápida velocidad de transferencia, su alto voltaje de corte y a una resistencia variable perjudicial.

Esta indisponibilidad de las regiones tipo-p del GaAs cambiaron con el GaAs HTB MMIC. Con el buen rendimiento de los HBTs, la implantación de iones tipo-p y el crecimiento MBE se están incorporando ahora a las fábricas de producción de GaAs. Mediante el uso de la capa base p+, la región colectora n-, y la capa de contacto ohmica del colector n+ del HBT, como se muestra en la figura, los MMIC con diodos PIN se pueden fabricar fácilmente en la línea de fabricación de GaAs HBT.

Tecnología SIGe

Es un tecnología innovadora que ofrece menos ruido que otras alternativas de silicio y rendimiento comparables a los dispositivos más caros GaAs.

Con esta nueva tecnología se aumentará enormemente la sensibilidad del sistema, y los usuarios de 3G, GPS, televisión móvil o dispositivos portátiles no sólo encontrarán funciones como la recepción de datos de alta velocidad, navegación o los servicios de televisión descritos en el manual, sino que además podrán usar esas características, incluso en condiciones difíciles, por ejemplo, en el interior de un edificio o espacios cerrados.