Новая статья: Усилители СВЧ на основе технологий GaN и GaAs, эволюция технологии Diamond FETs
2013-09-19Преимущества GaN-технологии при производстве СВЧ усилителей
Твердотельные СВЧ усилители мощности и широкополосные усилители являются важным звеном аппаратуры радиолокационных систем для различных применений, поэтому к ним предъявляются особенно высокие требования.
СВЧ усилители мощности, построенные на основе мощных транзисторов или модулей — это устройства, определяющие важнейшие параметры системы, такие как излучаемая и потребляемая мощность, ширина полосы рабочих частот, габариты и масса, долговечность, надежность и стоимость.
Революционным направлением в развитии мощных компонентов СВЧ стало направление широкозонных полупроводниковых материалов (карбида кремния SiC и нитрида галлия GaN) и приборов на их основе [3]. Сегодня ведущие компании мира по производству компонентов, применяемых в твердотельных усилителях мощности, развивают прежде всего технологии на основе нитрида галлия GaN [17].
Совершенствование GaNустройств на основе GaNonSiC HEMT-технологии идет в следующих направлениях: увеличение максимальных мощностей, плотности мощности, максимального напряжения; увеличение верхнего диапазона сверхвысоких частот (перспективные разработки направлены на достижение C, X, Ku диапазонов длин волн); уменьшение стоимости до уровня один доллар за один ватт; повышение надежности, радиационной стойкости (см. табл. 1); уменьшение габаритов изделий [1].
История развития GaNтехнологии насчитывает вот уже более 30 лет. В 1993 году появился первый светодиод GaNLED, а в 1997 году — первый образец GaNтранзистора и образцы усилителей на его основе. Военные и государственные программы позволили активно развивать и внедрять в жизнь GaNтехнологию. Это известная американская программа WBGSTI, позднее — европейские MARCOS, TIGER, KORRIGAN и японская NEDO [5].
В 2001 году был произведен уже первый серийный GaNтранзистор [2]. Далее все ведущие мировые электронные компании, связанные с производством GaAsкомпонентов, стали делать собственные инвестиции в GaNтехнологию для изготовления усилителей, MMICs и приборов. В 2006–2007 г.г. появились коммерческие серийные GaNпродукты: корпусированные мощные универсальные транзисторы в L и S диапазонах ( 2–4 ГГц) с выходной мощностью от 5 до 50 Вт (позднее — до 120–180 Вт).
Пионерами выхода на коммерческий рынок стали компании Eudyna (Sumitomo) [4], Nitronex [8], Сree [1], RFHIC [5], позже к ним присоединились компании Toshiba, RFMD, M/ACOM Tech., TriQuint [9], OKI [11], Microsemi [12], NXP и др.
Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше допустимая рабочая температура и тем больше сдвинут в коротковолновую область спектра рабочий диапазон приборов, создаваемых на основе соответствующих полупроводниковых материалов. Например, максимальная рабочая температура для приборов на основе GaN достигает 350–400 °C, для приборов на основе C (алмаз — diamond) достигает 500–600 °C и выше. Ширина запрещенной зоны хорошо коррелирует с температурой плавления материала. Обе эти величины возрастают с ростом энергии связи атомов в кристаллической решетке, поэтому для широкозонных полупроводниковых материалов характерны высокие температуры плавления, что создает определенные трудности на пути создания чистых и структурно совершенных монокристаллов таких полупроводниковых материалов. Подвижность носителей тока в значительной мере определяет частотные характеристики полупроводниковых приборов. Для создания приборов СВЧ применяются полупроводниковые материалы, обладающие высокими значениями подвижности носителей заряда и способные работать при высоких температурах и высоком уровне радиации, что очень важно для космической промышленности. Таким образом, чем больше ширина запрещенной зоны, тем устойчивее работа СВЧ транзистора (см. табл. 1) при высоких температурах и высоком уровне радиации, и чем больше концентрация электронов тем выше плотность тока в сечении канала транзистора, что обуславливает высокий коэффициент его усиления. Чем выше максимальная критическая напряженность электрического поля применяемого полупроводникового материала (см. табл. 1), тем выше максимальное напряжение стока СВЧ транзистора (50–100 В) и его пробивное напряжение (от 100 до 300 В), что увеличивает надежность и срок эксплуатации изделия. СВЧ транзисторы, выполненные по GaNтехнологии, имеют высокую удельную мощность — до 10 Вт и более на 1 мм ширины затвора, что на порядок превышает удельную выходную мощность СВЧ транзисторов, выполненных по GaAsтехнологии [10, 5]. Все еще проблемными, но постепенно решаемыми задачами GaNтехнологии остаются обеспечение теплоотвода от активной структуры кристалла и выращивание эпитаксиальных структур GaN [5]. Ранее для радаров с активной фазированной антенной решеткой АФАР (APAR — Active Phased Array Radars или AESA — Active electronically scanned array) твердотельные усилители производились на базе GaAsтехнологии. Но на сегодня она обладает более низкой плотностью мощности (0.5–1.5 Вт/ мм, см. табл. 2) по сравнению с высокой плотностью мощности GaNHEMTsтехнолигии (4.0–8.0 Вт/мм ширины затвора СВЧ транзистора) [10]. Высокая плотность мощности СВЧ транзисторов, выполненных по GaNтехнологии позволяет существенно уменьшить габариты и вес твердотельного усилителя радара, что очень важно для авиационных и космических применений, где необходима минимизация веса и габаритов радаров, в т. ч. и радаров с АФАР [15 ,16]. Например, вместо пяти GaAs LDMOSусилителей можно применить только один GaNусилитель, обеспечивающий намного лучшие технические характеристики изделия в целом [2]. Коэффициент теплопроводности материала GaN в 8–10 раз выше, чем у GaAs, что позволяет обеспечить лучший и быстрый отвод тепла от чипа MMIC и более высокую плотность мощности, (см. табл. 2 и [2]). Актуальным является решение задачи производства систем связи и радаров на базе новых продуктов GaN для частотных диапазонов C, X, Ku.
Параметр | Ед. изм. | GaAs | GaN |
---|---|---|---|
Плотность выходной мощности, p(Pout) | Вт/мм | 0,5-1,5 | 4,0-8,0 |
Рабочее напряжение, Vds | В/мм | 5-20 | 28-48 |
Обратное напряжение, Vbr | В/мм | 20-40 | >100 |
Максимальная плотность тока, p(Imax) | А/мм | ~0,5 | ~1,0 |
Коэффициент теплопроводности, K | Вт/м*К | 47 | 390 (z) / 490 (SiC) |
Твердотельные усилители и другие изделия на базе GaNтехнологии открывают широкие перспективы для разработки новейших устройств и модернизации уже работающих изделий в важных частотных диапазонах 1–4 ГГц, 2–6 ГГц, 4–12 ГГц, 6–18 ГГц, 2–20 ГГц, которые могут стать конкурентными ламповым приборам СВЧ (триоды, тератроны, магнетроны, клистроны и т. д.) по выходной мощности, КПД, габаритным размерам, надежности и цене.
GaNтехнология постепенно занимает свое место на рынке военных и космических систем и сможет заменить часть GaAs MMIC продуктов в приемопередающих модулях АФАР сантиметрового и миллиметрового диапазонов [4].
СВЧ усилители на основе GaN-технологии компании Sumitomo
Компания Sumitomo была создана в 1897 году и изначально ориентировалась на производство продукции из меди. В начале 90х годов XX века компания Sumitomo одна из первых освоила GaNтехнологию. В 2004 году подразделение полупроводниковой продукции Sumitomo было переименовано в Eudina Devices Inc, а в 2009 году Eudyna Devices Inc. полностью изменила название на Sumitomo Electric Device Innovations, Inc. На сегодняшний день Sumitomo Electric Device Innovations, Inc. (в дальнейшем Sumitomo) вот уже более 30ти лет является пионером в области разработки, проектирования и серийного производства СВЧ продукции для систем связи, радиоастрономии, радаров общего и специального назначения для различных отраслей промышленности и специальных применений. В настоящее время компания Sumitomo производит следующую продукцию (табл. 3 и 4):
- транзисторы GaNHEMTs: для базовых станций, радаров и общего применения;
- монолитные интегральные схемы MMICs: Ku и V диапазонов малощумящие, Ka диапазона мощные, C и V диапазонов;
- мощные усилители GaN на палетах и MMICs;
- конвертеры Ku и Ka диапазонов;
- мультиплексоры Ku и V диапазонов;
- генераторы с широким динамическим диапазоном;
- транзисторы GaAs FETs: большой мощности, мощные и маломощные, на кристалле.
СВЧ транзисторы для авиационных, наземных и надводных радаров (АФАР), систем беспроводной связи, систем опознавания и системы РЭБ выпускаются по различным технологиям.
СВЧ транзисторы L, S диапазонов длин волн выпускаются компанией Sumitomo по новейшей технологии на таблица 3. области применения продукции Sumitomo на основе GaN-технологии. Нитрид галлия — великолепный материал для производства мощных СВЧ транзисторов и палет, поэтому новейшие разработки и производство СВЧ транзисторов на основе GaN (GaNHEMTs, GaNonSi, GaNonSiC) являются на сегодня наиболее эффективными и перспективными. На рис. 1 представлены новые продукты компании Sumitomo, разработанные по технологиям GaNHEMTs и GaAs MMICs.
Актуально и применение законченных усилительных субмодулейпалет с импендансом 50 Ом. Они находят применение в авиации, системах беспроводной связи, радарах S и L диапазонов частот (табл. 3)
Продукция | Технология | Серия | Область применения / длительность импульса | Диапазон длины волн | Диапазон рабочих частот, Гц | Выходная мощность, Вт/дБм | Напряжение (В) / импеданс (Ом) / КПД (%) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Транзисторы | GaN-HEMTs | EGN13 | Радары импульсные / 3мс / 10%, 1,5 мс / 25% | VHF-L | 1,2 - 1,4 | 170 | 50 / 50 / |
Транзисторы | GaN-HEMTs | EGN | Радары импульсные / 5 мс / 10%, 750 мкс / 25% | VHF-S | 2,7 - 3,5 | 120 - 600 | 50 / 50 / |
Транзисторы | GaN-HEMTs | SGN | Радары импульсные / 300 мкс / 10% | VHF-S | 2,9 - 3,5 | 150 - 600 | 50 / 50 / |
Транзисторы | GaN-HEMTs | EGNB | Радары непрерывного излучения (CW) | VHF-S | 3,5 | / 40 | 50 / 50 / |
Транзисторы | GaN-HEMTs | EGN31 | Радары непрерывного излучения (CW) | VHF-S | 3,1 | / 45,5 | 50 / 50 / |
Усилители на палетих, мощные | GaN-HEMTs | SMC | Радары импульсные / 300 мкс / 10% | VHF-S | 2,9 - 3,5 | 150 - 600 | 50 / 50 / 50 |
Усилители на палетих, мощные | GaN-HEMTs | EMC | Радары импульсные / 5 мс / 10%, 750 мкс / 25% | VHF-S | 3,1 - 3,5 | 100 | 50 / 50 / 50 |
Усилители New | GaN-HEMTs | SGNC | Беспроводная связь и базовые станции | VHF-S | 0,9 - 2,6 | 300 / 66 | 50 / / |
Усилители | GaN-HEMTs | EGNC-EGN3 | Беспроводная связь и базовые станции | VHF-S | 0,9 - 3,5 | 70 - 270 / 47 - 53,5 | 50 / / |
Усилители | GaN-HEMTs | EGNB | Общего применения | VHF-S | 0,9 - 3,5 | 10 - 90 / 41 - 53 | - |
Усилители | GaN-HEMTs | SGNE | Общего применения | VHF-S | 0,9 - 3,5 | 10 - 90 / 40,5 - 51 | - |
Во многих случаях на палету устанавливаются два и более дискретных элемента для достижения усиления, которое не может быть получено при использовании одного элемента. Палета выполнена по специальной технологии [4], которая позволяет создавать компактные устройства. Небольшие размеры палеты идеальны для авиационных применений. Еще одним немаловажным фактором, способствующим применению палет, является улучшение технологичности (в т. ч. повторяемости) производства радарных систем на их основе.
Компания Sumitomo также активно разрабатывает продукты на основе новой технологии GaNonSiC (нитрид галлия на карбиде кремния) [17]. Продукты на основе этой технологии находят свое применение в военной промышленности.
В 2014 году представлены еще несколько новых продуктов на базе GaNonSiCтехнологии в дополнение к уже производимой серии для радаров.
Продукция Sumitomo на основе GaN-технологии и её применение
Для СВЧ усилителей важны такие параметры: диапазон частот (МГц), напряжение питания (В), выходная мощность (Вт), значение входного/выходного импенданса, коэффициент усиления (дБ), КПД (%) и коэффициент заполнения (%) (см. табл. 3).
Мощные СВЧ транзисторы работают в широком диапазоне частот и обеспечивают максимальную мощность в нагрузке. Транзисторы находят соответствующее применение для различных диапазонов частот. На сегодня популярность и коммерческий успех GaNтранзисторов связаны с их реальными преимуществами на системном уровне, как то: простота и дешевизна схемотехнической реализации мощных усилителей; простота получения широких полос усиления; перекрытие одним мощным усилителем нескольких поддиапазонов станции; снижение энергопотребления изделия (радара) и связанных с ним издержек; уменьшение сложности и стоимости систем охлаждения. Производители надеются в ближайшее время достигнуть оптимальной цены GaNтранзисторов $1/1 Вт. Уже освоены GaNприборами L, S, SHF диапазоны длин волн. Например, усилитель мощностью 10 Вт Lдиапазона имеет значение КПД более 70–80 %, а усилители мощностью 100–600 Вт — 50 %.
Продукция Sumitomo на основе GaAs-технологии и её применение
В последующие несколько лет продук ты на базе GaNтехнологии будут востребованы как в новых изделиях, так и для модернизации уже существующих (например, ламповых усилителей радаров), поэтому их производство и продажа будут неуклонно расти. Но в зависимости от решаемой задачи и области применения, а также в связи с длительностью эксплуатации уже произведенных изделий и систем актуальными останутся и СВЧ продукты на основе GaAsтехнологии. Основные параметры продуктов Sumitomo на базе GaAsтехнологии приведены в таблице 4.
Продукция | Технология | Серия | Облать применения | Диапазон длины волн | Диапазон рабочих частот, ГГц | Выходная мощность, Вт/дБм | Напряжение (В) / усиление (дБ) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Усилители, конверторы | GaAs WLCSP* MMICs | SMM / EMM | Системы связи | C-E | 12,7 - 30,0 | / 26 - 33 | 6 |
Усилители | GaAs MMICs | SMM / EMM | VSAT и приёмопередатчики систем связи | S-C-Ka | 3,4 - 30,0 | / 30,0 - 33,5 | 6 / 14 - 29 |
Усилители | GaAs MMICs | SMM / EMM / FMM | VSAT и приёмопередатчики систем связи | S-C-V | 3,4 - 64,0 | / 26 - 34 | 3 - 7 / 17 - 29 |
Усилители | GaAs MMICs | SMM / EMM / FMM | VSAT и приёмопередатчики систем связи | Ku-V | 12,0 - 64,0 | / 7 - 20 | / 13,5 - 23 |
Конверторы | GaAs MMICs | SMM / FMM | Спутниковая и радиосвязь | Ku-Ka | 12,0 - 32,0 | / 5,0 | / 10 - 12 |
Мощные усилители | GaAs FETs | FLM / ELM | Радиосвязь | L-C | 2,0 - 15,3 | / 39 | 10 / 9,5 - 11,5 |
Мощные усилители | GaAs FETs | FLU / FLL / FLC / FLX / FLK | Мобильная и сотовая связь, WCDMA, LTE и WiMAX | L, S, C, X, Ku | 2,0 - 14,5 | 40-80 / | 10 / 6,0 - 13,0 |
Маломощные усилители | GaAs FETs | PSU / FSX | Усилители средней мощности и генераторы | C | 8,0 - 14,5 | / 15 - 24 | 8 - 10 / 10 - 18 |
Усилители, сметители, конверторы | GaAs HEMTs | FHC / FHX | DB S-конверторы, беспроводная и мобильная связь, радиоастрономия и др. | S-C | 4,0 - 12,0 | - | 2,0 / 10,0 - 15,5 |
GaAs СВЧ транзисторы надежно заняли свою нишу в линейке продуктов для систем спутниковой и беспроводной и мобильной связи связи, радиоастрономии и других применений, где необходимы сверхмалошумяшие усилители с высоким коэффициентом усиления. GaAs СВЧ транзисторы также работают в широком диапазоне частот, обеспечивая в усилителях и генераторах с широким динамическим диапазоном (вплоть до Xдиапазона) высокий коэффициент усиления и низкий коэффициент искажений сигнала, что обеспечивает максимальную мощность в нагрузке. GaAs СВЧ транзисторы и MMICs усилители, генераторы, конвертеры находят соответствующее применение для различных диапазонов частот (см. табл. 4).
Компромисс GaN- и GaAs-технологий или новые технологии на алмазе?
Для оценки и сравнения возможностей применения GaN и GaAs транзисторов и MMICs в схемах широкополосных усилителей мощности, а также возможностей принятия оптимального технического решения можно применить метод "миграции" с одного материала SiC на другой и провести простой анализ их удельных (отнесенных к 1 мм ширины затвора транзистора) параметров. Для этого предлагается воспользоваться известными оценками для усилителя класса А с максимальной выходной мощностью Pmax и оптимальным сопротивлением нагрузки транзистора Ropt [5].
В настоящее время разработчики GaNприборов проявляют большой интерес к широкополосным системам связи. В первую очередь это касается применения GaNтранзисторов в базовых станциях стандартов WCDMA, UMTS и WiMAX. Прогнозировалось, что к 2014 году в общем объеме выпуска GaNприборов рынок применения в широкополосных коммерческих системах связи и телевидения будет составлять 63 % против 26 % в военных системах [5].
В ближайшее десятилетие сантиметровый и миллиметровый диапазон длин волн станет ареной серьезной борьбы и компромисса двух промышленных технологий производства мощных твердотельных монолитных интегральных схем MMICs, дискретных СВЧ продуктов и усилителей на палетах, практически равных по частотным и усилительным свойствам. Одна из них (GaN) дает серьезные преимущества в максимальных электродинамических и минимальных весогабаритных параметрах и минимальной стоимости источников питания, а другая (GaAs) имеет пока минимальную себестоимость и максимальный уровень освоенности в массовом производстве [5].
Таким образом, началась смена поколений технологий, котрая обеспечивает скачок на порядок в улучшении параметров твердотельных усилителей мощности. Еще есть возможность успеть реализовать многие проекты на основе GaNтехнологии. Но время идет вперед и появились уже более новые технологические решения на алмазе (Diamond FETs).
Искусственный синтез монокристаллов алмаза в мире изучается очень активно еще с 90х годов 20го века. Компанией Sumitomo Electric Industries, Ltd., начиная с 1990 г., были заявлены в Бюро по патентам и товарным знакам США и получены несколько патентов по разработке полевых транзисторов на алмазе:
- патент US5127983 заявлен 21.05.1990 г., выдан 07.07.1992 г.: Method of producing single crystal of highpressure phase material;
- патент US5903015 заявлен 14.09.1995 г., выдан 11.05.1999 г.: Field effect transistor using diamond;
- патент US5584045 заявлен 06.11.1995 г., выдан 10.12.1996 г.: Polycrystalline diamond tool and method for producing same.
Алмаз, благодаря своим совершенно уникальным свойствам, в настоящее время рассматривается как идеальный материал для создания нового поколения наноразмерных электронных компонентов [7, 13, 14]. Было обнаружено, что при обработке в водородной плазме алмаз приобретает поверхностную проводимость дырочного типа. Такие свойства гидрированного алмаза позволили создать полевой транзистор на его основе. Например, в 2009 г. была достигнута ширина затвора алмазного транзистора 50 нм, что в 1000 раз меньше, чем толщина человеческого волоса, и в 2 раза меньше, чем размеры предыдущего "рекордсмена мира" производства японской фирмы NTT [13, 14].
Традиционные материалы GaN и GaAs имеют свои сильные и слабые стороны, в то время как алмаз практически универсален. Алмазные транзисторы (Diamond FETs) смогут найти широкое применение, например, в устройствах медицинских томографов терагерцового диапазона, в системах безопасности автомобилей и т. д. [18].
Высокая радиационная стойкость алмаза позволяет рассматривать его как перспективный материал для бортовых УФдетекторов, предназначенных для космических исследований. CVD-алмаз может служить и материалом детекторов частиц высоких энергий (альфачастиц, гаммаквантов и нейтронов).
Конкурировать по совокупности параметров с алмазом не может ни один существующий на сегодня полупроводниковый материал (см. табл. 1 и рис. 2) [18]. Исходный материал для создания транзисторов на алмазе производят методом химического осаждения из водороднопаровой фазы. Для формирования структуры таких транзисторов на поверхности алмазной пленки используется технология электроннолучевой литографии. Благодаря большим размерам алмазные пленки перспективны для создания позиционночувствительных и микрополосковых детекторов излучения УФ и рентгеновского диапазонов.
Образцы, серийную продукцию СВЧ, в т. ч. и Sumitomo можно заказывать уже сейчас.
Детальную информацию можно получить в компании ООО "Виаком":
тел.: (044) 507-02-02
http://www.biakom.com/hfuhf/production/devices/
https://biakom.com/products/linecard/821
http://www.sedi.co.jp/e/products/newproducts/gan_hemt-radar.html
Литература:
- Rad Effects in Emerging GaN FETs. NASA.11.07.2012
- GaN Technology for Radars. CS MANTECH Conference, April 23rd — 26th, 2012, Boston, Massachusetts, USA
- Фармикоун Г. и др. Технология мощных СВЧ LDMOSтранзисторов для радарных передатчиков Lдиапазона и авиационных применений //Компоненты и технологии. 2007. № 10
- Wireless Device Products 20122013. Sumitomo Electric Europe, Ltd
- Твердотельные СВЧ усилители мощности на нитриде галлия — состояние и перспективы развития. Кищинский А. А. 2010
- Широкополосные транзисторные усилители мощности СВЧ — смена поколений. Кищинский А. А. 2010
- Модель алмазного СВЧ транзистора.Технология и конструирование в РЭА, 2011, № 6
- NITRONEX Corp.2008 GaN Essentials™ AN012 Thermal
- Triquint_Wideband Power Amplifier MMICs Utilizing GaN on SiC.9781 424460571/10/$26.00 ©2010 IEEE
- Кертис Д. Разработка многокаскадных усилителей класса C для импульсных радарных применений // Современная электроника. 2007. № 1
- Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor (GaNHEMT) Technology for High Gain and Highly Efficient Power Amplifiers. Oki Technical Review.October 2007/Issue 211 Vol.74 No. 3
- Gallium Nitride (GaN) versus Silicon Carbide (SiC).Microsemi PPG. Apr. 2010
- Diamond Fieldeffect Transistors as Microwave Power Amplifiers. Makoto Kasu. 2010
- Diamond Semiconductors Operate at Highest Frequency Ever—A Step Closer to Diamond Devices for Communication Satellites, Broadcasting Stations, and Radars.R&D Inf. Vol. 1 No. 7 Oct. 2003
- Evolution of AESA Radar Technology. Carlo Kopp, Monash University_August 14, 2012
- Current Status of Airborne Active Phased Array (AESA).HeinzPeter Feldle.IRS2009
- SUMITOMO Research&Development_2012
- SELEX_GaAsGaN Enabling Technologies for Microwave. Sapienza Universitа di Roma. 4–5 Oct. 2012
Вы можете загрузить данную статью в формате PDF (0.32 Мб) >>
За технической поддержкой, а также по вопросам приобретения, применения и эксплуатации обращайтесь, пожалуйста, в ООО "Виаком": Телефон +380 044 507-02-02 (добавочный номер 129), e-mail: oleg.kolotun@biakom.com