Преимущества 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.

Таблица 2. Сравнительная характеристика основных параметров GaAs- и GaN-материалов
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)

Новые продукти компании Sumitomo Electric Europe, Ltd

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)

Таблица 3. области применения продукции Sumitomo на основе GaN-технологии
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.

Таблица 4. Области применения продукции Sumitomo, в том числе и MMICs, на основе GaAs-технологии
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/

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:

  1. Rad Effects in Emerging GaN FETs. NASA.11.07.2012
  2. GaN Technology for Radars. CS MANTECH Conference, April 23rd — 26th, 2012, Boston, Massachusetts, USA
  3. Фармикоун Г. и др. Технология мощных СВЧ LDMOS­транзисторов для радарных передатчиков L­диапазона и авиационных применений //Компоненты и технологии. 2007. № 10
  4. Wireless Device Products 2012­2013. Sumitomo Electric Europe, Ltd
  5. Твердотельные СВЧ усилители мощности на нитриде галлия — состояние и перспективы развития. Кищинский А. А. 2010
  6. Широкополосные транзисторные усилители мощности СВЧ — смена поколений. Кищинский А. А. 2010
  7. Модель алмазного СВЧ транзистора.Технология и конструирование в РЭА, 2011, № 6
  8. NITRONEX Corp.2008 GaN Essentials™ AN­012 Thermal
  9. Triquint_Wideband Power Amplifier MMICs Utilizing GaN on SiC.978­1­ 4244­6057­1/10/$26.00 ©2010 IEEE
  10. Кертис Д. Разработка многокаскадных усилителей класса C для импульсных радарных применений // Современная электроника. 2007. № 1
  11. 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
  12. Gallium Nitride (GaN) versus Silicon Carbide (SiC).Microsemi PPG. Apr. 2010
  13. Diamond Field­effect Transistors as Microwave Power Amplifiers. Makoto Kasu. 2010
  14. 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
  15. Evolution of AESA Radar Technology. Carlo Kopp, Monash University_August 14, 2012
  16. Current Status of Airborne Active Phased Array (AESA).Heinz­Peter Feldle.IRS2009
  17. SUMITOMO Research&Development_2012
  18. 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