For the monolithic 3-dimensional (M3D) integrated low-noise analog-digital mixed-signal system, we present an InGaAs high-electron-mobility transistors (HEMTs) on Si CMOS. First, to develop the process module for the M3D stacked InGaAs HEMT, we have demonstrated 125-nm-gate InGaAs-on-insulator (InGaAs-OI) HEMTs on bare Si substrates via wafer bonding. The highlights of this device were the $i-In_{0.53}Ga_{0.47}As/i-InAs/i-In_{0.53}Ga_{0.47}As$ quantum-well channel for high RF performance by improving electron transport properties and the low processing temperature of 250 °C or less for M3D integration. Then, we successfully demonstrated high-frequency InGaAs HEMTs integrated on 180 nm Si CMOS using the developed process module without any device performance degradation. As a result, we obtained a current gain cutoff frequency ($f_{T}$) of 289 GHz and maximum oscillation frequency ($f_{MAX}$) of 195 GHz. These results are the highest ever reported in M3D RF transistors at the same LG range. Finally, we have analyzed the effect of substrate coupled digital noise in both conventional and M3D mixed-signal systems. Through this analysis, we found that the influence of substrate digital noise can be eliminated by integrating the analog and digital circuits in the M3D platform. This will be the important milestone and one of the breakthrough technology in high-frequency mixed-signal IC.
본 논문에서는 모놀리식 3D 집적 저잡음 아날로그-디지털 혼합 신호 시스템을 위해 Si CMOS 위에 3D로 집적된 InGaAs HEMTs에 대한 연구를 진행하였다. 먼저, M3D 적층형 InGaAs HEMT 공정 모듈을 개발하기 위해 웨이퍼 본딩을 통해 Si 기판에 125 nm 게이트 InGaAs-on-insulator (InGaAs-OI) HEMTs를 제작하였다. 이 소자에서는 특별히 높은 전자 수송 특성을 위해서 $i-In_{0.53}Ga_{0.47}As/i-InAs/i-In_{0.53}Ga_{0.47}As$ 양자 우물 채널을 사용하였고, 모놀리식 3D 집적에 적용하기 위해 250 °C 이하의 낮은 온도의 공정을 사용하였다. 그런 다음, M3D 집적에 사용 가능한 프로세스 모듈을 사용해 180 nm Si CMOS 위에 모놀리식하게 3D로 적층된 InGaAs HEMTs를 성공적으로 제작하였다. 그 결과 Si CMOS 위에 3D로 적층한 InGaAs HEMTs에서 289 GHz의 전류 이득 차단 주파수($f_{T}$)와 195 GHz의 최대 발진 주파수 ($f_{MAX}$)를 얻었다. 이러한 결과는 동일한 게이트 길이 범위의 모놀리식 3D RF 소자에서 보고된 세계 최고 수준이다.
마지막으로 기존의 아날로그-디지털 혼합 신호 시스템과 모놀리식 3D 아날로그-디지털 혼합 신호 시스템에서 기판 결합 디지털 노이즈의 효과를 분석하였다. 이 분석을 통해, 우리는 아날로그와 디지털 회로를 모놀리식 3D 형식으로 집적함으로써 아날로그-디지털 회로에서 문제가 되었던 기판 디지털 노이즈의 영향을 제거할 수 있음을 처음으로 발견했고, 이것은 고주파 혼합 신호 IC에서 획기적인 기술 중 하나이다.
