III-V Nanowire MOSFETs for mm-Wave Switch Applications

Abstract

RF-switches are key components in many electronic devices as they enable routing of higher frequency signals. Increasing demands on device performance requires new technologies as well as new approaches to designs of circuits.

III-V nanowire MOSFETs are a promising device technology well suited for implementation of switches. This work investigates the design trade-off's for III-V nanowire MOSFET technology for mm-wave switch circuits. In the thesis, simulation results for three different switch designs are compared. These are a standard single-pole double throw, with one respectively two resonant pairs, and a switch that uses high internal impedance to improve the isolation.

The results show figures of merits that are comparable to state-of-the-art designs and indicates the need for further work in this area as to validate the simulations with measurements on processed devices.

Popular Abstract (Swedish)

Dagen samhälle blir allt mer digitaliserat, såväl inom industri som vanliga hushåll. Som en del av detta växer även behovet av snabb och energisnål elektronik som utan fördröjning kan kommunicera med varandra, så kallat Internet of Things (IoT). Detta medför enorma effektiviseringsmöjligheter för industri såväl som hushåll men även för infrastruktur då det leder till självkörande bilar och så vidare. För att detta ska fungera så måste signaler kunna skickas mellan enheter utan fördröjningar och med en stabil sammankoppling. Aktuellt idag är 5G som just skickar enorma mängder data med mycket låg fördröjning. Det som möjliggör detta är att 5G använder frekvenser som är högre än tidigare.
I motsats till den digital elektroniken i exempelvis en dator använder analoga applikationer en oscillerande signal. Förenklat kan det förklaras med att signalen ligger inom ett frekvensband och ju högre detta band ligger i frekvens, desto mer information kan skickas. En viktig del i att hantera dessa analoga signaler är möjligheten till att kunna välja hur den ska hanteras. Till exempel kan en signal som fångas upp av en antenn behöva förstärkas medan nästa signal behöver filtreras. För att lösa detta kan en Radio-Frekvens omkopplare användas.
I detta arbete har omkopplare designats och simulerats med nanotrådsbaserade transistorer som, på grund av sin geometriska form, har mycket goda elektrostatiska egenskaper. Med detta menas att de är mycket effektiva i att leda respektive blockera signalvägar. Traditionella planära transistorer kan påverka ledningsförmågan i kanalen från en sida medan för nanotrådstransistorns kanal utgörs av den smala nanotråden vilket ger möjligheten att påverka kanalen från alla håll. Dessa trådar utgörs även av indium-gallium-arsenid, ett material som möjliggör högre rörlighet hos elektroner, vilket leder till mindre förluster.
Utöver en standarddesign så har ytterligare två applikationsspecifika designer tagits fram, vars fokus varit bandbredd respektive isoleringsförmåga.
Resultatet av arbetet visar att omkopplare designade med nanotrådstransistorn kan mäta sig med moderna lösningar på högsta tekniska nivå genom små förluster, bra bandbredd och bra isoleringsförmåga.

• author: Sandberg, Marcus
• supervisor: Lars Ohlsson
• organization: Department of Electrical and Information Technology
• alternative title: III-V nanotrådstransistorer för millimetervågsomkopplarapplikationer
• course: EITM01 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: III-V Nanowire MOSFET, millimeter wave (mmW), millimeter-wave integrated circuit (MMIC), single-pole double-throw (SPDT)
• report number: LU/LTH-EIT 2020-800
• language: English
• id: 9032939
• date added to LUP: 2021-01-07 13:27:12
• date last changed: 2021-01-07 13:27:12