Высокомощные НЕМТ-транзисторы (HEMT) на основе нитрида галлия (GaN) S-диапазона мощностью 600 Вт и Х-диапазона мощностью 200 Вт для импульсного режима

Введение

В последние годы немалые усилия участников отрасли направлены на разработку внутрисогласованных GaN HEMT-транзисторов для РЛС, используемых в управлении воздушным движением, судовых и метеорологических РЛС. К радарам S‑диапазона, использующимся в РЛС УВД, предъявляются очень высокие требования. Метеорологические радары X‑диапазона позволяют обнаружить, например, ливневые дожди на большой дальности. Ожидается, что спрос на подобные радиолокационные системы увеличится.

Поскольку выходная мощность этих радиолокационных систем составляет десятки киловатт, в них используются такие электровакуумные приборы как магнетроны и клистроны благодаря их выходной мощности и экономичности. Однако срок службы или цикл замены электровакуумных приборов короток — он составляет 6–12 месяцев, что увеличивает эксплуатационные расходы. Другая проблема с электровакуумными приборами заключается в том, что они создают помехи для других беспроводных систем связи, находящихся рядом и работающих на близких частотах, т. к. электровакуумные приборы функционируют при высоком уровне шума в широкой полосе пропускания. Следовательно, увеличивается потребность в высокомощных твердотельных приборах. В отличие от электровакуумных устройств, твердотельные приборы имеют длительный срок службы и отличные шумовые характеристики.

По сравнению с арсенид-галлиевыми полевыми транзисторами (GaAs FET), которые используются как твердотельные приборы, GaN HEMT-транзисторы имеют более высокую выходную мощность и усиление по мощности благодаря лучшим свойствам нитрида галлия. Соответственно, эти транзисторы представляют большой интерес как твердотельные приборы, которые подходят для использования в РЛС и в других системах, где требуется высокая мощность. Кроме того, растет спрос на широкополосные усилители, которые обеспечивают более удобные конструктивные решения. GaN HEMT-транзисторы имеют высокое входное/выходное напряжение, позволяя усилителям работать в широкой полосе частот, а также с высокой выходной мощностью.

Компания Sumitomo Electric Industries начала серийное производство GaN HEMT-транзисторов для станций сотовой связи. В 2013 г. ее изделия были удостоены награды Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий (MEXT) Японского техноэкономического общества управления технологиями и инновациями [1]. Целью разработки этих технологий [2] было увеличение выходной мощности внутрисогласованных GaN HEMT-транзисторов, предназначенных для использования в высокомощных системах, что позволило бы увеличить рыночный спрос на GaN-транзистор [3–8]. В этой статье представлены результаты этих многочисленных усилий — GaN HEMT-транзисторы S‑ и Х‑диапазонов с самой высокой выходной мощностью на мировом рынке.

Технология  GAN HEMT-транзисторов

Свойства материалов

В табл. 1 представлены свойства основных полупроводниковых материалов, которые применяются в приложениях гигагерцового диапазона. Скорость насыщения электронов (Vsat) нитрида галлия как минимум в два раза выше аналогичных показателей кремния и арсенида галлия. Напряженность поля при пробое (Ec) нитрида галлия в 10 раз больше, чем у кремния, и в 7,5 раз больше, чем у арсенида галлия. Для сравнения работы высокомощных ВЧ-устройств применяется показатель качества Джонсона, который определяется следующим образом: Vsat•Ec/(2π). По показателю качества Джонсона нитрид галлия (GaN) примерно в 27 и в 15 раз превосходит кремний и арсенид галлия (GaAs), соответственно.

Основные характеристики GaN HEMT-транзисторов

Мы рассмотрим характеристики GaN HEMT-транзисторов, которые были разработаны нашей компанией для применения в Х‑диапазоне. Длительность строб-импульса была приведена в соответствие с оптимальной длительностью, чтобы обеспечить достаточное усиление в этом диапазоне. На рис. 1 показан график зависимости тока стока от напряжения стока (Ids – Vds). Допустимая нагрузка по току этого GaN HEMT-транзистора высока при токе насыщения стока 1,1 А/мм и Vgs = +2,0 В. Напряжение пробоя сток–исток BVdsx достигло 290 В при отсечке. Исследования подтвердили, что при работе устройства в радиочастотном диапазоне напряжение сток–исток может в три раза превысить рабочее напряжение [9]. Напряжение пробоя сток–исток GaN-транзистора значительно превышает рабочее напряжение величиной 50 В.

Рис. 1. Характеристики Ids – Vds нового GaN НЕМТ-транзистора диапазона Х

Надежность GaN HEMT-транзисторов

Средняя наработка на отказ (MTTF) новых GaN HEMT-транзисторов Х‑диапазона показана на рис. 2. График был построен по результатам теста при высокой температуре, выполненного с использованием транзисторов. При температуре 200 °C время MTTF равно 1 млн ч.

Рис. 2. Средняя наработка на отказ нового GaN-транзистора Х-диапазона

Разработка внутрисогласованного GAN HEMT-транзистора

Целевые параметры

Чтобы увеличить выходную мощность по сравнению с нашими предыдущими изделиями (320 Вт в S‑диапазоне и 120 Вт в Х‑диапазоне), были учтены такие факторы как тепловой и импульсный режимы транзистора, а также размер корпуса.

Перед инженерами компании Sumitomo Electric была поставлена задача добиться того, чтобы коэффициент надежности (средняя наработка на отказ) GaN HEMT-транзисторов составил 1 млн ч. Для достижения этой цели температура канала транзистора не должна превышать 200 °C. Во время работы в импульсном режиме температура канала транзистора достигает своего пика в конце радиоимпульса, как схематично показано на рис. 3. Температура канала транзистора увеличивается с ростом ширины импульса (PW) и коэффициента заполнения (DC). Соответственно, при разработке высокомощного устройства необходимо учитывать импульсный режим.

Рис. 3. Соотношение между радиоимпульсом и температурой канала

В то же время радиолокационные системы могут использовать разную ширину импульса и разный коэффициент заполнения в зависимости от расстояния до обнаруживаемой цели и ее размера. В качестве параметров импульсного режима, который в наибольшей мере удобен для практического использования, мы выбрали ширину импульса равную 200 мкс и коэффициент заполнения 10% для S‑диапазона. Для Х‑диапазона при температуре фланца 75 °C значения этих параметров составили 100 мкс и 10%. Для S‑диапазона были выбраны частоты 2,7–2,9 ГГц, которые часто используются в РЛС УВД, и частоты 8,5–9,8 ГГц для Х‑диапазона, используемые в судовых и метеорологических радарах.

Кроме того, чтобы минимизировать увеличение температуры канала транзистора путем снижения энергопотребления, были задействованы высокоэффективные технологические решения для GaN-транзисторов последнего поколения. К тому же, на основании результатов теста по согласованию нагрузки транзистора основного блока были определены целевые значения КПД при суммировании мощности величиной 60 и 40% для S‑ и Х‑диапазонов, соответственно, для устройств, согласованных на заданных частотах.

Такие условия эксплуатации и параметры энергопотребления, а также тепловое сопротивление выбранного корпуса и размер устанавливаемого кристалла обеспечили при 50 В минимальные значения выходной мощности 600 и 200 Вт для S‑ и Х‑диапазонов, соответственно.

Конфигурация кристалла GaN HEMT-транзистора

Чтобы обеспечить заданные значения выходной мощности, были созданы микросхемы, у которых ширина зазора транзистора составила 74,5 мм для S‑диапазона и 14,4 мм — для Х‑диапазона. Эти две микросхемы функционировали параллельно. Длина элементарных затворов была минимизирована, чтобы обеспечить достаточно высокое усиление по мощности в полосах рабочей частоты. Размер микросхемы: 6,00×0,86 мм для диапазона S и 5,38×0,76 мм — для Х‑диапазона.

Конфигурация согласующей схемы

Для S‑ и Х‑диапазонов согласующие схемы были разработаны с использованием типовых транзисторов основного блока и результатов теста согласования нагрузки. Внутренние схемы GaN HEMT-транзистора S‑диапазона 600 Вт показаны на рис. 4. Согласование было достигнуто с помощью индуктивности и керамического конденсатора и соединительной проволоки. Сложение мощностей двух микросхем производилось с использованием четвертьволнового сумматора Уилкинсона для достижения широкой полосы частот. Размер устройства — 24,0×17,4 мм, исключая электропровод.

Рис. 4. Внутренние цепи 600-Вт микросхемы GaN HEMT-транзистора S-диапазона

На рис. 5 показано внутреннее устройство 200‑Вт GaN HEMT-транзистора Х‑диапазона. Чтобы улучшить однородность фаз входного и выходного сигналов, идущих по направлению к каждому транзистору и от него (что требуется из-за более высоких частот Х‑диапазона по сравнению с S‑диапазоном), была выполнена симуляция электромагнитного поля. Затем внутренние цепи микросхемы были разделены на четыре сегмента. Каждому из них была отведена низкочастотная согласующая цепь для синфазного деления/сложения мощностей по схеме 4–2-1. Размер корпуса устройства: 24,0×17,4 мм, исключая электропровод.

Рис. 5. Внутренние цепи 200-Вт микросхемы GaN HEMT-транзистора Х-диапазона

Характеристики внутрисогласованных GAN HEMT-транзисторов

РЧ-параметры

Радиочастотные характеристики 600‑Вт GaN HEMT-транзисторов S‑диапазона показаны на рис. 6. Минимальная выходная мощность устройства составила 600 Вт благодаря достаточной разности между располагаемой мощностью и максимальной нагрузкой. В то же время КПД GaN HEMT-транзистора составил 59% при суммировании мощности, почти достигнув требуемого значения.

Рис. 6. РЧ-параметры для 600-Вт GaN HEMT-транзистора S-диапазона

На рис. 7 показаны РЧ-характеристики 200‑Вт GaN HEMT-транзистора Х‑диапазона. Выходной мощности устройства оказалось достаточно, чтобы достигнуть целевого значения в 200 Вт. Значение КПД при суммировании мощности — 38%, что очень близко к заданному.

Рис. 7. РЧ-параметры 200-Вт GaN HEMT-транзистора Х-диапазона

Отладочная плата

На рис. 8 показана отладочная плата 200‑Вт транзистора Х‑диапазона. Внешние схемы были составлены из 50‑Ом линий и четвертьволновых линий питания, полученных в результате 50‑Ом полного внутреннего согласования.

Рис. 8. Измерительный модуль для 200-Вт транзистора Х-диапазона

Проверка температуры канала

На рис. 9 показана температура канала, измеренная путем теплового анализа переходных процессов для 200‑Вт GaN HEMT-транзистора Х‑диапазона. Результаты испытаний выявили достаточно низкую пиковую температуру канала величиной 150 °C, которая наблюдалась при следующих условиях: ширина импульса = 100 мкс, коэффициент заполнения = 10%, температура фланца = 75 °C.

Рис. 9. Температура канала, измеряемая с помощью системы анализа перехода температуры

Заключение

В табл. 2 представлены результаты оценки новых внутрисогласованных GaN HEMT-транзисторов мощностью 600 Вт в S‑диапазоне и 200 Вт в Х‑диапазоне. Ожидается разработка и более широкое применение поисковых/обзорных радаров и метеорологических радаров разных видов. Очень вероятно, что использование твердотельных усилителей увеличит срок службы этих радаров и позволит уменьшить их размер. Мы описали разработку GaN HEMT-транзисторов, которые обеспечивают самую высокую выходную мощность среди аналогичных устройств в S‑ и Х‑диапазонах. Компания Sumitomo Electric продолжает работать над разработкой технологий GaN HEMT-транзисторов, отвечающих актуальным требованиям в этой области.