Redirect= Разработка GаN-транзисторов компанией АО «НИИЭТ»

Разработка GаN-транзисторов

№ 4’2020
PDF версия
АО «НИИЭТ» разработал и серийно поставляет ряд мощных СВЧ-транзисторов и ГИС на основе нитрид-галлиевых гетероструктур с высокой подвижностью электронов. Номенклатура созданных изделий имеет выходную мощность 0,12–400 Вт и перекрывает частотный диапазон 0,03–12 ГГц. На этапе освоения производства находится линейка силовых транзисторов с напряжением сток-исток 100, 200 и 650 В.

Введение

Возможности СВЧ-приборов напрямую связаны с электрофизическими параметрами применяемых полупроводниковых материалов. Для мощных кремниевых транзисторов L‑ и S‑диапазоны частот уже являются предельными. Традиционные решения в области более высоких частот на арсениде галлия не позволяют получить высокую мощность из-за низких напряжений питания.

В последние несколько десятилетий, благодаря развитию технологии создания приборов на основе нитрида галлия (GaN), удалось получать транзисторные структуры, значительно превосходящие привычные транзисторы на основе кремния и арсенида галлия. Успешное применение высококачественных структур нитрида галлия позволило не только создавать СВЧ-приборы высокой мощности для работы в S‑, C‑ и X‑диапазонах частот, но и использовать эту технологию в силовой электронике.

Упоминание транзисторных структур на нитриде галлия впервые появилось в статье 1993 года от разработчиков APA Optics [1]. GaN-транзисторы обладают выдающимися электрофизическими свойствами: сравнительно высокой подвижностью и высокой скоростью насыщения электронов, высоким пробивным напряжением, достаточно высокой теплопроводностью и высокой рабочей температурой (табл. 1).

Таблица 1. Параметры материалов

Материал

Ширина

запрещенной зоны, эВ

Критическая напряженность, мВ/см

Подвижность электронов, см2/(В•с)

Скорость

насыщения, см/с•107

Рабочая

температура,

°С (макс.)

Si

1,1

0,3

1300

1

> 200

SiC

3,26

2

700

2

< 500

GaAs

1,42

0,4

6000

1

> 300

GaN

3,49

3,3

1500

1,5

< 500

Благодаря этим свойствам, на основе GaN-гетероструктур создаются полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), которым свойственны высокие показатели выходной мощности, коэффициента полезного действия и коэффициента усиления на высокой рабочей частоте.

Высокое напряжение питания нитрид-галлиевых СВЧ-транзисторов и малые межэлектродные емкости позволяют легко выполнять согласование в широкой полосе частот. Кроме того, большие запасы по пробивному напряжению сток-исток обеспечивают непревзойденную стойкость к рассогласованию нагрузки транзистора.

Специалисты АО «НИИЭТ» имеют богатый опыт в плане разработки приборов на основе GaN. К настоящему моменту создано и серийно поставляется свыше 30 типов приборов широкого спектра применения. Объемы поставок продукции превышают 3000 шт. В данном обзоре приводятся результаты работы специалистов АО «НИИЭТ» в области создания приборов на основе нитрида галлия.

 

Мощные СВЧ-приборы на основе GaN

Обладая высокой подвижностью носителей заряда, а также высокими значениями критического поля пробоя, нитрид галлия оптимален для создания мощных СВЧ-транзисторов. Из-за сложности в выращивании собственных подложек нитрида галлия для мощных СВЧ-транзисторов чаще всего используют подожки из чистого карбида кремния. Этот материал обладает низким рассогласованием кристаллических решеток с нитридом галлия, что позволяет минимизировать количество переходных слоев при эпитаксиальном выращивании. Карбид кремния отличается высокой теплопроводностью, поэтому можно получать высокие значения удельной мощности в приборах с подложкой на его основе [2]. С другой стороны, подложки карбида кремния до сих пор имеют относительно высокую стоимость, что во многом определяет высокую стоимость готовых транзисторов.

На рис. 1 изображено поперечное сечение GaN HEMT-структуры. Характерным элементом в ней являются сквозные отверстия, соединяющие истоковые области с подложкой транзистора. Такое решение значительно снижает индуктивность истока и упрощает монтаж кристалла в корпус [3].

Схематическое изображение разреза транзисторной ячейки с металлизированными сквозными отверстиями в активной области

Рис. 1. Схематическое изображение разреза транзисторной ячейки с металлизированными сквозными отверстиями в активной области

Важной частью мощного СВЧ-транзистора являются внутренние цепи согласования. Для примера на рис. 2 показан транзистор 6П9143А3 с внутренними цепями согласования, который, по сути, представляет собой однокаскадный усилитель мощности в гибридно-интегральном исполнении.

Внутрикорпусные схемы согласования транзистора 6П9143А3

Рис. 2. Внутрикорпусные схемы согласования транзистора 6П9143А3

Транзистор полностью согласован на 50 Ом и предназначен для применения в составе приемо-передающей аппаратуры C‑ и X‑диапазона частот. Все элементы согласующих цепей, такие как керамические платы, МДП-конденсаторы, пленочные резисторы, изготавливались по микроэлектронному техпроцессу на собственном производстве.

Основные технические характеристики изделия 6П9143А3:

  • диапазон частот: 7,7–8,7 ГГц;
  • непрерывная выходная мощность при компрессии коэффициента усиления на 1 дБ: более 30 Вт;
  • типовой коэффициент усиления в линейном режиме: не менее 13 дБ;
  • коэффициент полезного действия: не менее 40%.

АО «НИИЭТ» является единственным серийным отечественным производителем СВЧ мощных GaN-транзисторов как для гражданского рынка, так и для аппаратуры специального назначения. Объем поставок данной продукции в настоящее время превысило 3000 шт.

В таблицах 2 и 3 приведены параметры разработанных АО «НИИЭТ» СВЧ мощных GaN-транзисторов. Следует отметить, что в таблице указаны минимальные значения коэффициента усиления по мощности и коэффициента полезного действия стока транзистора, в отличие от зарубежных спецификаций, приводящих типовые значения.

Таблица 2. Основные параметры мощных СВЧ GaN-транзисторов АО «НИИЭТ» с приемкой ОТК

Прибор

Uпит, В

fтест, МГц

Pвых, Вт

КУР_мин, дБ

КПДмин, %

ПП9136А

28

4

5

16

50

ПП9137А

28

4

10

14

50

ПП9138А

28

4

15

12

50

ПП9138Б

28

4

25

10

50

ПП9139А1

28

2,9

50

12

50

ПП9139Б1

28

1,6

100

13

45

ТНГ270100-28

28

2,7

100

9

60

ТНГ310100-50

50

3,1

100

11

50

ТНГ310150-50

50

3,1

150

11

50

ТНГ400100-50

50

4,0

100

12

50

ТНГ400050-50

50

4,0

50

12

50

ТНГ200200-50

50

2,0

200

13

50

ТНГ600050-50

50

6,0

50

12

46

Таблица 3. Основные параметры мощных СВЧ GaN-транзисторов АО «НИИЭТ» с приемкой ВП

Прибор

Uпит, В

fтест, МГц

Pвых, Вт

КУР_мин, дБ

КПДмин, %

6П9140А

50

1,6

400

12

60

6П9141А1

28

1,7

80

17

65

6П9141Б1

28

2,5

60

15

65

6П9142А2

28

4

20

13

45

6П9142Б2

28

4

2

13,5

45

6П9143А3

28

7,7–8,7

30

12

35

6П9143Б2

28

7,7–8,7

5

13

30

6П9144А4

28

12

0,5

13,5

20

6П9144Б4

28

12

0,12

14,5

20

6П9145А2

28

4

5

13

45

6П9145Б2

28

4

10

10

45

6П9145В2

28

4

15

10

45

6П9145Г2

28

4

25

9

45

6П9146А1

28

1,5

100

13

45

Также ведутся разработки по расширению номенклатуры мощных СВЧ GaN-транзисторов. Спроектированы следующие транзисторные кристаллы:

  • 10 и 25 Вт с Uпит = 50 В в CW-режиме для S‑диапазона.
  • 75 Вт с Uпит = 40 В для X‑диапазона.
  • 100 Вт с Uпит = 50 В в CW-режиме для S‑диапазона.
  • 250 и 350 Вт с Uпит = 50 В для С‑диапазона.
  • 1000 и 1200 Вт с Uпит = 50 В для L‑диапазона.

Параллельным направлением развития СВЧ GaN-приборов в АО «НИИЭТ» является заказная разработка малогабаритных гибридных усилителей мощности в стандартных транзисторных корпусах. Примером такого прибора может служить усилитель L‑диапазона МУМ‑60. Данный модуль изготовлен по технологии ГИС СВЧ и полностью согласован на 50 Ом. Усилительными элементами служат нитрид-галлиевые транзисторные кристаллы. Внешний вид усилителя без герметизирующей крышки показан на рис. 3.

Малогабаритный гибридный усилитель мощности

Рис. 3. Малогабаритный гибридный усилитель мощности

Основные технические характеристики изделия МУМ‑60:

  • диапазон частот: 1090–1700 МГц;
  • импульсная выходная мощность: более 60 Вт;
  • коэффициент полезного действия: более 50%;
  • длительность импульса: 1 мс, скважность 5;
  • типовой коэффициент усиления: 38 дБ;
  • время включения/выключения: менее 1/4 мкс;
  • габаритные размеры: 24×17,4×4,8 мм;
  • масса: 7 г.

К особенностям этого модуля следует отнести его малые размеры и массу, что очень важно при построении современных радиолокационных систем. Кроме того, несмотря на малые размеры, в модуль встроены все необходимые функциональные блоки, такие как цепи смещения, развязки и управления по постоянному току, фильтры питания с накопительными керамическими конденсаторами.

Модуль МУМ‑60 имеет вход высокоскоростного управления, позволяющий менее чем за четверть микросекунды выполнять операцию включения и выключения. Данная особенность повышает КПД и сокращает просачивание сигнала и шума в паузах между импульсами. Кроме того, вход управления можно использовать для импульсной модуляции выходного сигнала. Фазочастотная характеристика модуля имеет монотонный характер без резких скачков и изгибов. Модуль МУМ‑60 не имеет аналогов.

 

Транзисторы на основе структур GaN-on-Si

Высокие значения пробивных напряжений при относительно низком сопротивлении в открытом состоянии делают приборы на основе нитрида галлия перспективными для применения в силовой электронике. Поскольку нитрид галлия отличается от кремния повышенной подвижностью электронов и большей электрической прочностью, при заданных значениях сопротивления и пробивного напряжения GaN-транзистор имеет меньшие размеры по сравнению с кремниевым аналогом. Обратным эффектом является значительное снижение теплопроводности подложки, что для транзисторов, работающих в ключевом режиме, не столь критично, как для транзисторов, действующих в усилительном режиме. GaN-транзисторы, функционирующие в ключевом режиме, также обладают чрезвычайно высокой скоростью переключений и минимальным временем обратного восстановления, что является важным условием для уменьшения потерь и повышения эффективности [4].

По сравнению с Si-аналогами, GaN силовые транзисторы имеют следующие достоинства:

  • у транзисторов на основе GaN-структур сопротивление открытого канала RON имеет очень низкое значение, в результате чего минимизируется количество статических потерь;
  • вследствие минимальной входной емкости высокая скорость переключения обеспечивает их применение в приборах с большими выходными токами и увеличением рабочих частот до нескольких сотен МГц;
  • при увеличении рабочих частот также возможно повышение эффективности ключа — это позволит снизить значение емкостей и индуктивностей выходных фильтров, а соответственно, и габаритные размеры транзистора без потери рабочих параметров.

Однако, несмотря на все преимущества силовых GaN-транзисторов, прогресс в данном направлении в значительной мере ограничивался высокой стоимостью таких приборов. Но с появлением технологии выращивания низкодефектных эпитаксиальных структур нитрида галлия на кремнии стало возможным значительно уменьшить стоимость конечного транзистора. К тому же, переход к гетероструктурам GaN-on-Si позволил сделать качественный скачок в увеличении диаметра пластин (рис. 4). Однако гетероструктуры GaN-on-Si имеют один недостаток, который может создавать проблемы для пользователей.

Постоянные кристаллической решетки Si (111) и GaN (0001)

Рис. 4. Постоянные кристаллической решетки Si (111) и GaN (0001)

Из-за различия в размере кристаллической решетки Si (3,85) и GaN (3,19) пластины с эпитаксиальными структурами GaN-on-Si подвержены механическим деформациям и прогибу, особенно при увеличении толщины эпитаксиальной пленки GaN и диаметра пластин. Быстрому освоению данной GaN-технологии способствовали успехи в разработке и промышленном освоении оборудования и технологии эпитаксиального наращивания GaN на подложках кремния большого диаметра — 150 и 200 мм.

На рис. 5 приведено схематическое изображение GaN-транзисторной структуры на кремниевой подложке. Ключевым отличием от структуры на рис. 1 является отсутствие сквозных металлизированных отверстий в истоках структуры.

Схематическое изображение разреза ячейки силового GaN-транзистора

Рис. 5. Схематическое изображение разреза ячейки силового GaN-транзистора

Специалистами АО «НИИЭТ» разработан ряд переключающих GaN-транзисторов с напряжением 100, 200 и 650 В с низким значением RON (табл. 4).

Таблица 4. Основные параметры переключающих GaN-транзисторов АО «НИИЭТ»

Тип

Максимально допустимое напряжение сток-исток UСИ, В

Постоянный ток стока IC, А

Сопротивление сток-исток в открытом состоянии RСИ_отк, Ом

Заряд затвора QG, нКл

ТНГ-К 100030-30

100

30

0,03

3,3

ТНГ-К 200040-30

200

40

0,03

4,4

ТНГ-К 200020-70

200

20

0,07

5,6

ТНГ-К 650020-100

650

20

0,1

4,5

ТНГ-К 650030-50

650

30

0,05

6,1

Данные транзисторы разрабатывались для поверхностного монтажа (SMD) с использованием металлокерамических корпусов по типу КТ‑93 (SMD‑0.5) и КТ94 (SMD‑1) и пластиковых корпусов по типу КТ‑89 (DPACK) и КТ‑90 (D2PACK) (рис. 6).

Фото транзисторных структур GaN-on-Si

Рис. 6. Фото транзисторных структур GaN-on-Si

В планах на будущее — доработка топологии силовых кристаллов для их монтажа по технологии Flip-Chip, что обеспечит снижение паразитных параметров и поспособствует уменьшению габаритных размеров конечного устройства.

 

Заключение

В статье приведены успехи АО «НИИЭТ» в сфере разработки и реализации приборов на основе нитрида галлия. Номенклатурный ряд поставляемых устройств обширен и включает в себя:

  • мощные СВЧ-транзисторы для диапазонов частот от L до X;
  • силовые переключающие с малым значением RСИ_отк;
  • малогабаритные усилители мощности.

В планах развития на ближайшее будущее основными направлениями АО «НИИЭТ» являются:

  • получение мощных СВЧ-приборов с выходной мощностью свыше 1000 и 75 Вт для L‑ и X‑диапазонов частот соответственно;
  • расширение номенклатурного ряда производимых устройств для удовлетворения потребностей, связанных с GaN-приборами как для гражданского рынка, так и для аппаратуры специального назначения;
  • увеличение объема выпуска уже готовых устройств на основе GaN для массовой поставки всем заинтересованным предприятиям.
Литература
  • Khan M. A., Kuznia J. N., Bhattaral A. R., Olsen D. T. Metal semiconductor field effect transistor based on single crystal GaN//Appl.Phys.Lett. 1993. 62. No. 15.
  • Тарасов С. В., Дикарев В. И., Цоцорин А. Н. Мощные GaN-транзисторы для применения в перспективных системах связи и радиолокации//Электронные компоненты. 2017. № 7.
  • Тарасов С. В. и др. Мощные GaN-транзисторы S‑, С‑, Х‑диапазонов частот//Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2018. Спецвыпуск.
  • Schweber B. GaN Power Devices: Potential, Benefits, and Keys to Successful//EIU EUROPE. 2018. No 1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *