Построение и характеристики СВЧ-монолитных усилителей мощности на основе полупроводниковых материалов GaAs и GaN

УДК: 621.375.026

А.А. Коколов, М.В. Черкашин

Построение и характеристики СВЧ монолитных усилителей мощности на основе полупроводниковых материалов GaAs и GaN

Приведен обзор схем построения и характеристик монолитных усилителей мощности (УМ) на основе полупроводниковых материалов GaAs и GaN. Описаны преимущества применения гетероструктурных СВЧ-транзисторов на основе широкозонных материалов. Обзор будет полезен инженерам, занимающихся разработкой СВЧ-устройств.

Ключевые слова: усилитель мощности, монолитная интегральная схема, GaAs HEMT, GaN HEMT.

Развитие полупроводниковых технологий мощных СВЧ-транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) связано с необходимостью совершенствования различных радиоэлектронных и телекоммуникационных систем СВЧ-диапазона (в первую очередь систем связи). К таким системам, наиболее активно стимулировавшим развитие СВЧ полупроводниковых технологий и бурно развивавшимся в последние годы, можно отнести системы широкополосной связи миллиметрового диапазона (LMDS и аналогичные), системы «третьего поколения» (3G) широкополосной сотовой связи, системы спутниковой связи (в первую очередь VSAT), радиолокационные системы на основе активных фазированных антенных решеток (АФАР). В свою очередь, совершенствование параметров и снижение себестоимости мощных транзисторов и МИС существенно расширяют возможности их применения в аппаратуре, возможности создания и продвижения на рынок новых систем.

В настоящей статье представлен обзор схем построения и характеристик монолитных усилителей мощности (УМ) на основе полупроводниковых материалов GaAs и GaN. Материал GaAs традиционно используется в технологиях изготовления мощных СВЧ-транзисторов и монолитных УМ, в то время как технологии на базе GaN еще исследуются, но обещают большие перспективы.

Тенденции развития технологий изготовления монолитных СВЧ УМ. В развитии базовых для микроволнового диапазона A3B5-полупроводниковых технологий можно выделить следующие основные тенденции [1]:

- Постепенный уход с арены классической технологии полевых транзисторов с однородным легированием канала (MESFET). Эта технология остается в производстве традиционных и хорошо освоенных высокомощных внутрисогласованных и отдельных типов универсальных дискретных транзисторов сантиметрового диапазона и серии МИС усилителей сантиметрового диапазона.

- Существенное снижение стоимости приборов, изготавливаемых по технологии псевдоморф-ных транзисторов с высокой подвижностью электронов (pHEMT) с размерами затвора 0,1-0,25 мкм. Эта технология стала стандартной и предоставляется практически всеми фирмами, выполняющими услуги по контрактному производству (foundry) СВЧ МИС. Использование такой технологии позволило наладить серийный выпуск монолитных усилителей мощности (УМ) в диапазоне частот до 40 ГГц с мощностями до 4 Вт. В последнее время получила развитие технология создания GaAs mHEMT МИС с высоким содержанием индия. При этом удалось не только улучшить характеристики пробивного напряжения и плотности тока стока, но и продвинуться в частотном диапазоне до 160 ГГц.

- Освоение в производстве технологий СВЧ МИС на InP с размерами затвора 0,1-0,25 мкм, что дает возможность продвижения монолитных усилителей в диапазон до 200 ГГц.

Обозначенные выше процессы обусловлены потребностями массового производства недорогих МИС миллиметрового диапазона. Революционным же направлением развития мощных СВЧ-компо-нентов, родившимся в прошедшем десятилетии, стало направление широкозонных полупроводниковых материалов, к которым относятся нитрид галлия GaN и карбид кремния SiC, и приборов на их основе. Это направление, активно поддерживаемое военными ведомствами, должно позволить в несколько раз повысить выходную мощность транзисторов и МИС сантиметрового и миллиметрового диапазонов. За счет существенно большей теплопроводности как эпитаксиальных пленок, так и подложки-носителя, а также за счет втрое большей ширины запрещенной зоны в транзисторах на

основе GaN реализованы удельные мощности транзисторной структуры 5-10 Вт/мм и более, что на порядок превышает удельную мощность GaAs-транзисторов. Большое значение теплопроводности GaN приводит к увеличению времени работы устройств и снижению требований к системе охлаждения. Одним из принципиальных преимуществ GaN- и SiC-транзисторов является высокое (2050 В) напряжение питания стока, что при равных с GaAs-транзисторами отдаваемых в нагрузку мощностях приводит к значительному (на порядок) увеличению оптимального импеданса нагрузки стока и значительному облегчению согласования транзистора с нагрузкой [2].

В сантиметровом диапазоне выходная мощность GaAs МИС, по-видимому, уже достигла предела (порядка 10-20 Вт), связанного с ограничением максимальной площади кристалла (25-30 мм2), при которой он (при толщине 50-100 мкм) становится предельно хрупким, и процент выхода годных при монтаже МИС резко падает. Площади кристаллов МИС миллиметрового диапазона составляют 12-16 мм2, что оставляет еще некоторый простор для наращивания мощности до 5-10 Вт. Дальнейшее наращивание энергетики связано напрямую с успехами в отработке новых широкозонных материалов (GaN в первую очередь) и совершенствованием технологии гетеро-биполярных транзисторов (HBT) на основе материалов группы А3В5, обеспечивающих значительно большие плотности мощности и меньшие размеры кристаллов МИС. По сообщению компании Cree Inc. уже разработана технология GaN транзисторов с плотностью мощности 30 Вт/мм на частоте 8 ГГц.

Для демонстрации на рис. 1 изображены два монолитных УМ X-диапазона, изготовленных по GaN- и GaAs-технологии [3]. По сравнению с GaAs-усилителем (Pout = 20 Вт, 5=41 мм2) мощный СВЧ-усилитель, выполненный по GaN-технологии, обладает большей выходной мощностью при меньших геометрических размерах (Pout = 40 Вт, S = 18 мм2). Кроме того, схемотехника усилителей, выполненных на GaN, более простая, так как требует суммирования мощности меньшего числа каскадов.

GaN 10 ГГц /40 Вт

а б

Рис. i. Мощные СВЧ-усилители, выполненные по GaN- (а) и GaAs- (б) технологиям

Сравнительный анализ частотно-мощностных параметров существующих коммерческих технологий изготовления СВЧ МИС показан на рис. 2.

Таким образом, для построения СВЧ УМ в диапазоне частот до 5-10 ГГц конкурентоспособными являются БІС и GaAs-НВТ-технологии, в диапазоне частот до 50 ГГц с точки зрения выходной мощности нет равных транзисторам на основе материала GaN, но для более высоких частот перспективной является технология GaAs НЕМТ [4].

Однако уже сейчас есть публикации, в

которых приводятся экспериментальные

GaN СВЧ МИС, работающие в диапазоне

частот до 90 ГГц [5]. Видимо, не за горами

появление коммерческой GaN-технологии,

имеющей высокие рабочие частоты. „ „ „

Рис. 2. Технологии изготовления СВЧ МИС

Мощность, Вт

LDMOS

GaAs

^ДбаМ Power HBT

SiC N.

GaAs HBT ^

GaAs

-^\power HEMT InGaP

X'HBT

Si \ SiGe^^\ GaAs

HEMT Л,nP \

1 2 5 10 20 50 100 200

Частота. ГТц

Перечисленные преимущества транзисторов на основе ОаЫ-технологии позволяют утверждать, что область их применения в будущем будет только возрастать.

Рассмотрим способы построения и сравним характеристики современных ОаЛ8 и ОаК УМ, предоставляемых различными зарубежными фирмами.

Монолитные СВЧ УМ на основе ОаЛз. При построении монолитных СВЧ УМ на основе ОаЛ8 можно выделить три основные наиболее используемые структурные схемы:

а) параллельно включенные каскады со сложением мощности на основе делителей мощности Вилкинсона, выполненных на сосредоточенных или распределенных элементах (рис. 3, а);

б) балансные схемы построения УМ с применением направленных ответвителей (рис. 4, а);

в) схемы сложения мощности с использованием параллельных СЦ (рис. 5, а).

На рис. 3, б, 4, б и 5, б показаны топологии ОаЛ8 рНЕМТ УМ, выполненных на основе указанных принципов. Возможны также различные комбинации описанных способов. В частности, на рис. 5 представлен балансный УМ, каждый из каналов которого построен по схеме сложения на основе параллельных СЦ.

Делитель Вилкинсона на сосредоточенных элементах

Делитель Вилкинсона на распределенных элементах

б

Рис. 3. УМ со сложением мощности на основе делителей мощности Вилкинсона на распределенных элементах - а; б - усилитель Х-диапазона с выходной мощностью 2 Вт

Уое

а б

Рис. 4. Балансный УМ - а; б - усилитель диапазона частот 37-39 ГГц с выходной мощностью 80 мВт

а б

Рис. 5. УМ со сложением мощности на основе параллельных СЦ - а; б - усилитель Х-диапазона с выходной мощностью 7,5 Вт

Другие топологии СВЧ УМ на основе ОаЛ8-рНБМТ-технологий показаны на рис. 7, 8. Конст -рукции современных монолитных УМ имеют следующие характерные особенности (см. рис. 7, 8):

Рис. б. УМ Х-диапазона с выходной мощностью 2 Вт

полная симметрия схемы; очень высокая плотность компоновки; использование максимально простых входных и межкаскадных СЦ, чаще всего на сосредоточенных элементах;

— разбиение выходной транзисторной структуры на большое (4, 8, 16) число отдельных структур с реализацией так называемых «корпоративных» согласующих цепей - СЦ (объединение индивидуальных СЦ субтранзисторов в общую синфазно-связанную распределенную цепь);

— использование в выходных каскадах «широких» транзисторов с общей длиной затвора до 2-5 мм (см. рис. 7, а);

— относительно широкие, с применением распределенных элементов, выходные СЦ (см. рис. 7, б);

— использование толстых (до 12 мкм) гальванических линий.

а б

Рис. 7. УМ Х-диапазона на основе GaAs-pHEMT-технологии

Следует отметить, что GaAs HEMT УМ с частотами выше 30-40 ГГц чаще выполняются в копланарном исполнении (см. рис. S).

Ведущими производителями МИС УМ СВЧ-диапазона на основе GaAs являются следующие фирмы: TriQuint (США), UMS (Франция), Mimix (США), Hittitie (США), Skyworks Inc. (США),

Eydyna (Тайвань), RFMD (США) и др. Параметры ряда коммерческих монолитных УМ, выполненных на основе GaAs HEMT технологий, приведены в табл. 1.

Рис. S. Копланарный УМ диапазона частот 75-95 ГГц на основе 0,25 мкм GaAs-HEMT-технологии

Таблица 1

Характеристики монолитных усилителей мощности на основе GaAs- HEMT-технологий

№ Фирма Диапазон частот, ГГц G, дБ IS11I, дБ Я w Oq 4 P loub дБм ипит, В мА Наиме- нование Тип Раз-р, мм Технология

1 TriQuint 9-10,5 20±0,5 -10 -10 38 7-9 1400- 1050 TGA2704 Сложение мощностей 3,52x2,61 0,25 GaAs pHEMT

2 TriQuint 13-18 24±l,0 -12 -12 38 8 2600 TGA2514 Сложение мощностей+ балансный 2,87x3,9 0,25 GaAs pHEMT

3 TriQuint 24-31 23±l,0 -6 -12 35,5 6 2100 TGA4505 Сложение мощностей 4,29x3,02 0,25 GaAs pHEMT

4 TriQuint 41-46 l7±l,0 -16 -16 33 6 2000 TGA4046 Сложение мощностей+ балансный 3,45x4,39 0,15 GaAs pHEMT

5 Hittite 12-16 28±l,0 -15 -16 36,5 7 2400 HMC950 Сложение мощностей+ балансный 3,23x3,45 GaAs pHEMT

6 Hittite 16-24 23±l,0 -15 -16 32 7 790 HMC756 Сложение мощностей+ балансный 2,4xl,6 GaAs pHEMT

7 Hittite 55-65 l3±l,0 -13 -17 16 5 80 HMC- ABH209 Сложение мощностей+ балансный 2,2x1,22 GaAs HEMT

8 Hittite 81-86 12 -7 -8 19 4 240 HMC- A3H634 Каскадный 2,57x1,7 GaAs HEMT

9 Mimix 12-16 2l±l,0 -12 -10 25 5 500 P1042-BD - - GaAs pHEMT

10 Mimix 24-34 16 -8 -8 24 6 320 P1023-BD Каскадный 2,55x0,63 GaAs pHEMT

11 Mimix 30-36 l6±0,5 -16 -20 24 5 440 P1017-BD Балансный 2,5x3,3 GaAs pHEMT

12 Mimix 36-42 25±0,5 - -12 26 4,5 530 X1001-BD Сложение мощностей 3,0xl,7 GaAs pHEMT

13 Mimix 43,5-46,5 l3±l,0 -20 -20 31 5 2800 XP1015-BD Сложение мощностей+ балансный 4,63x4,65 GaAs pHEMT

14 Eudyna 9,5-13,3 26±l,5 -10 -10 33 6 1500 EMM5068X Сложение мощностей 3,53x2,83 GaAs HEMT

15 Eudyna 37-40 2l±0,5 -10 -15 27 6 600 EMM5835X Сложение мощностей 4,05x1,34 GaAs HEMT

16 Eudyna 57-64 17 -7 -10 16 3 150 FMM5715X Сложение мощностей 2,19x0,92 GaAs HEMT

17 UMS 5-18 24±2,0 -8 -8 33 8 1000 CHA6518- 99F Сложение мощностей 5,23x3,26 0,25 GaAs pHEMT

18 UMS 30-40 23,5±l,5 -6 -12 22 3,5 500 CHA5294 Сложение мощностей 4,1x1,42 0,15 GaAs pHEMT

Монолитные СВЧ УМ на основе GaN. Рассмотрим коммерческие и экспериментальные разработки монолитных СВЧ УМ на основе GaN-HEMT-технологий. Принципы построения таких усилителей практически такие же, что и GaAs УМ.

На рис. 9-11 показаны топологии СВЧ УМ, выполненных на основе GaN-технологий. В основном большинство разработок по GaN СВЧ МИС находятся в стадии исследования, особенно это касается усилителей с рабочими частотами выше 20 ГГц. С другой стороны, усилительные модули на основе GaN корпусированных транзисторов и интегральных схем вытесняют традиционные GaAs-устройства с рынка широкополосных систем связи W-CDMA, UMTS и Wi-MAX.

Рис. 9. УМ диапазона частот 2-6 ГГц на основе 0,25 мкм ваМ-ИЕМТ-технологии компании 8еіех §іє1еті ІШе^гай (слева УМ на 40 дБм, справа - на 42 дБм) [6]

Многие компании (ЯРМБ, ТпдшП, Бкулюгк^ и др.) поставляют готовые усилительные блоки на ОаК с выходной мощностью более 100 Вт, ориентированные на использование в вышеперечисленных беспроводных системах.

Рис. 10. УМ X-диапазона на основе Рис. 11 УМ диапазона частот 70-80 ГГц

0,25 мкм GaN-HEMT-технологии, разра- на °сн°ве 0,12 мкм GaN-HEMT-теxнологии

ботанный в рамках проекта «Korrigan» (P out = 0,5 Вт; PAE = 52%) [S]

(Pout = 43 Вт, PAE = 52%) [7]

Рис. 12. Копланарные УМ X-диапазона частот на основе 0,25 мкм GaN-HEMT-технологии

Вєдущими производителями МИС УМ СВЧ-диапазона на основе GaN являются слєдующиє фирмы: TriQuint (США), Eydyna (Тайвань), RFMD (США), Cree (США), Nitronex (США), Raytheon (США), Fraunhofer (Германия), HRL (США), Selex (Италия) и др. Параметры некоторых коммерческих монолитных и корпусированных усилителей мощности, а также транзисторов, выполненных на основе GaN-технологий, сведены в табл. 2.

Таблица 2

Характеристики усилителей мощности на основе HEMT-GaN-технологий_______

№ Фирма Диапазон частот, ГГц G, дБ си Б ус д т I,2 Б O'} ^ P loub дБм ^пить В IDS, мА Наименование Тип Технология

1 TriQuint 0,03-3 19,5 - - 39,5 28 3б0 TGA2540-FL Корпусированный чип 0,25 GaN HEMT

2 TriQuint DC-3,5 15 -5 -5 47,2 28 200 (pulse) T1G4005528-FS Корпусированный чип 0,25 GaN on SiC

3 TriQuint 14-1б 23 - - 43 35 2000 TGA2572 МИС, сложение мощностей 0,25 GaN on SiC

4 Eudyna 1,2-1,4 1б,3 - - 52,3 50 1000 EGN13B200IV-R Корпусированный транзистор GaN HEMT

5 Eudyna 2,7-2,9 12 - - 5б 50 2000 EGN28B400M1B-R Корпусированный транзистор GaN HEMT

б RFMD DC-4 13,5 - - 49,5 48 300 RF3933D Монолитный транзистор GaN on SiC

7 RFMD 1,2-1,4 15 -8 - 54 50 440 RFHA1020 Корпусированный чип GaN

9 RFMD 2,8-3,4 12 -5,5 - 54,5 50 440 RF3928 Корпусированный чип GaN

10 Nitronex DC-1,5 14±1,0 -8 -15 38 28 100 (pulse) NPA1003 Корпусированный чип GaN HEMT

11 Nitronex 2,5-б,0 9 - - 40 28 - NPA1001 Корпусированный чип GaN HEMT

12 Nitronex DC-1,2 1б - - 53 28 1400 NPT1007 Корпусированный транзистор GaN HEMT

13 Cree 2,7-3,5 28±l,0 -15 -5 49 28 700 CMPA2735075F Корпусированный чип GaN HEMT

14 Cree 0,02-б 24 - - 44 50 500 CMPA0060025F Корпусированный транзистор GaN HEMT

Как видно из табл. 2, коммерчески доступные GaN-СВЧ-транзисторы и усилители мощности в основном представлены в относительно низкочастотном диапазоне до 4-б ГГц, при этом выходная мощность достигает 400 Вт (№5 в табл. 2). Более высокочастотные диапазоны осваиваются медленнее, коммерчески доступные решения в X-диапазоне и выше предлагает только одна фирма Triquint.

Заключение. Несмотря на очевидные преимущества УМ на основе широкодиапазонных материалов GaN и SiC (высокая плотность выходной мощности, простота схемотехнической реализации мощных усилителей, большая теплопроводность), данные технологии еще недостаточно развиты. Коммерчески доступные GaN-усилители и транзисторы ограничены диапазоном до 4-6 ГГц; верхняя частота исследовательских образцов достигает 90 ГГц. В то же время GaAs СВЧ МИС в диапазоне до 90 ГГц уже предлагаются на коммерческом рынке. Однако многие исследователи уверены в том, что устройства на основе GaN и SiC в скором времени вытеснят материал GaAs из области мощных усилителей, оставив ему сферу малошумящих и других маломощных устройств.

Работа выполнялась в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлениям «Создание электронной компонентной базы» (14.740.11.1261), «Микроэлектроника» (Пбб9, П499, 16.740.11.0092, 14.740.11.1136) и «Проведение исследований коллективами НОЦ по направлению «Микроэлектроника» (14.740.11.0135).

Литература

1. Hek A.P. de. Design, Realization and Test of GaAs-based Monolithic Integrated X-band High Pow-

er Amplifiers. - Eindhoven : Technische Universiteit Eindhoven, 2002. - 322 p.

2. Quay R. Gallium Nitride Electronics. - Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2008. - 471 p.

3. Кищинский А.А. Твердотельные СВЧ-усилители мощности на нитриде галлия - состояние и перспективы развития // 19-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2009): матер. конф. - Севастополь: Вебер, 2009. -Т. 1. - С. 11-16.

4. March S. Practical MMIC Design. - Artech House, Inc., 2006. - 377 p.

5. Micovic M. W-band GaN MMIC with 842 mW output power / M. Micovic, A. Kurdoghlian,

K. Shinohara et. al. // Microwave Symposium Digest (MTT), 2010 IEEE MTT-S International. - 23-28 May, 2010. - Р. 237-239.

6. Minin I. Microwave and Millimeter Wave Technologies Modern UWB antennas and equipment // Intech. - March, 2010. - 488 p.

7. Piotrowicz S. 43W, 52% PAE X-Band AlGaN/GaN HEMTs MMIC Amplifiers / S. Piotrowicz, Z. Ouarch, E. Chartier et al. // Microwave Symposium Digest (MTT). - 2010 IEEE MTT-S International. -23-28 May, 2010. - Р. 505-508.

8. HRL Laboratories LCC [Электронный ресурс]. - http://www.kiss.caltech.edu/workshops/ mmic2008/presentations/micovic.pdf (дата обращения: 01.09.11).

Коколов Андрей Александрович

Аспирант каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа

Тел.: +7 (382-2) 41-47-17

Эл. почта: kokolovaa@gmail.com

Черкашин Михаил Владимирович

Канд. техн. наук, доцент каф. КСУП ТУСУРа, декан ФВС ТУСУРа Тел.: +7 (382-2) 41-47-17 Эл. почта: mik_cher@mail.ru

Kokolov A.A., Cherkashin M.V.

Construction and performance of modern MMIC based on GaAs and GaN

The article provides an overview of schemes and the characteristics of modern microwave monolithic power amplifiers (PA). The advantages of microwave transistors based on wideband semiconductor materials (silicon carbide SiC and gallium nitride GaN) are described. This review will be useful to engineers involved in the design of microwave devices.

Keywords: power amplifier, monolithic microwave integrated circuit, GaAs HEMT, GaN HEMT.