В данном проекте речь пойдет о результатах проектирования и испытаний МИС СВЧ усилителя мощности, работающего в частотах, близких к 40 ГГц, изготовленного с применением технологии нитрида галлия на кремнии с обеспечением ширины затвора 100 нм. Представленный в статье усилитель работает в Ku диапазоне частот с обеспечением усиления 20 дБ, выходной мощности 14 Вт, при компрессии 4.5 дБ и КПД до 30%. Выходная мощность достигается с помощью плотности рассеяния мощности 3,2 Вт/мм на транзисторе, что позволяет легко регулировать конечную температуру изделия.
- Стоимость выращивания на кремнии ниже чем на карбиде кремния;
- Процесс лицензирования имеет значительно меньше рисков, чем лицензирование продуктов на карбиде кремния;
- В долгосрочной перспективе этот тип процесс совместим для интеграции с кремниевыми КМОП-процессами.
Процесс нитрида галлия на кремнии, о котором идет речь в данной статье имеет ширину затвора 100нм и регенерированные омические контакты. Они защищены несколькими слоями нитрида кремния (SiN) и диоксида кремния (SiO2), что в результате дает возможность корпусировки в пластиковый корпус и значительное снижение стоимости конечного продукта.
При работе с данным процессом разработчики имеют доступ к двум плотностям МДМ-конденсаторов (400 пФ/мм2 и 50 пФ/мм2), двум типам сопротивления (40 Ом и 400 Ом), технология так же обеспечивает толстое металлическое покрытие в местах отверстий через подложку для надежного радиочастотного заземления. При использовании кремния с высоким удельным сопротивлением, удается достигать меньшего влияния потерь на подложке по сравнению с арсенидом галлия, так 1-миллиметровая копланарная линия имеет потери 0,3 дБ/мм на частоте 30 ГГц.
Основные технические характеристики данного процесса указаны в таблице 1.
Таблица 1. Основные технические характеристики GaN/Si процесса
Разработка усилителя мощности на таких частотах предусматривает две проблемы:
- частота 40 ГГц достаточно высокая для процесса на нитриде галлия, для которого для которого предъявляется требование к получению усиления не менее 20 дБ и выходной мощности 10-12 Вт;
- сложность контроля рассеиваемой мощности с учетом подложки из кремния, которая имеет более высокое тепловое сопротивление чем карбид кремния, с учетом требований к надежности, предъявляемых к сетям пятого поколения.
При проектировании интегральных схем необходимо обращать внимание, что на высоких частотах состояние транзистора ограничено: подключение выполнено через дырки обеспечивая приблизительный импеданс 5 Ом, индуктивность 20 пГн на частоте 40 ГГц, для сравнения с 0.2 Ом.мм сопротивлением источника транзистора.
Для обеспечения достаточного коэффициента усиления для сжатия, транзисторная ячейка размером 8 х 65 мкм = 520 мкм была смоделирована отдельно для достижения малой чувствительности сигнала, по меньшей мере 8 дБ в условиях оптимального согласования мощности и режима работы класса АВ. В конечном счете с мощностью 3,3 Вт/мм и потерями 1 дБ, достижение выходной мощности 10 Вт может быть достигнуто комбинацией из 8 транзисторов в выходном каскаде.
Для такого размера транзистора максимальная рассеиваемая плотность мощности для подержания точки максимальной температуры 200 C° и 80 C° на тыльной стороне составляет приблизительно 3.5 Вт/мм. Эта температура обеспечивает MTTF в течение 1 миллиона часов. Рассеянная мощность определяется следующей формулой:
PDISS = PDC + PIN – POUT
Где PDISS – рассеиваемая мощность, PDC – мощность постоянного тока, PIN – входная мощность, POUT – выходная мощность транзистора.
На рисунке 1 показан пример измеренных данных нагрузки для транзистора размером 6 х 70 мкм на частоте 30 ГГц. Стоит обратить внимание, что показатель КПД – 49% включает в себя входную мощность, а не только эффективность стока. Для рассеянной мощности около 3.5 Вт/мм можно получить данные, приведенные в таблице 2.
Таблица 2
Это дает уверенность в том, что предположения о целевом размере транзистора для усилителя, работающего на частоте 40 ГГц корректны.
Принимая во внимание потери и выходную мощность, применена трехкаскадная топология для достижения усиления 20 дБ. Для упрощения монтажа, контактные площадки затворов были размещены рядом друг с другом, так что они могут быть скоммутированы без дополнительных переходов. Такая же схема была применена к контактным площадкам стока. Каждый отдельный каскад был спроектирован так, чтобы быть стабильным для каждой точки смещения вдоль линии нагрузки до максимальной частоты отсечки транзистора. Финальная компоновка показана на рисунке 2. Размер схемы составил 3,6 х 2,8 мм.
Результаты тестирования МИС
После изготовления МИС измеряется непосредственно на пластине с использованием СВЧ-зондов. При этом термический контакт на заднюю часть пластины не велик, по этой причине испытания проводятся в импульсном режиме с длительностью импульса 9 мкс и 1% коэффициентом заполнения.
Как показано на рисунке 4, измеренное значение усиления 20 дБ в диапазоне 37 – 42 ГГц. Выходная мощность превышает 41,3 дБм (13,5 Вт) в диапазоне 38-40 ГГц. При выходной мощности 32 дБм КПД составляет 11%. Рекомендуемое производителем напряжение смещения составляет 12 В.
Хотя рекомендуемое напряжение смещение составляет 12 В, исследования так же проводились для напряжения от 8 до 15 В, и напряжения 20 В. Как показано на рис.5 выходная мощность растет вместе с напряжением питания. Рассеянная мощность транзистора показана на рис.6 для 10, 12 и 14 В.
Как видно, цель в выходной мощности 10 Вт достигнута уже при значении 10 В с рассеиваемой плотностью 3,2 Вт/мм, что дает значительный запас для термического управления конечным продуктом. Для обеспечения более высокой плотности рассеиваемой мощности для более короткого срока службы выходная мощность 15 Вт может быть достигнута на частоте 40 ГГц с рассеиваемой мощностью 5 Вт/мм.
Как видно из графиков выше, проектирование усилителей с применением технологии D01GH дает положительный результат, а выходные требования усилителя соответствуют требованиям, предъявляемым к современным МИС.
Одним из усилителей мощности, спроектированных на основе GaN/Si является - CGY2651UH/C1. Данный усилитель имеет следующие характеристики:
Частотный диапазон: 38-44 ГГц
Выходная мощность: 40 дБм (10 Вт)
Коэффициент усиления: 20 дБ
КПД: 25%
Напряжение смещения: 12 В
Официальным дистрибьютором компании OMMIC в России является научно-производственная компания Фотоника, которая в своей структуре имеет отдельное направление специализирующееся на СВЧ устройствах. Подробнее со всей необходимой информацией можно ознакомиться на сайте https://m-projects.ru/