Проектирование усилителей мощности на основе нитрида галлия на кремнии (GaN/Si) с использованием технологии компании OMMIC

До сегодняшнего дня сети 3G и 4G были развернуты в полосах частот до 4 ГГц. Для высокоскоростной передачи данных в сетях 5G требуется разработка новых изделий на более высоких частотах, например 27 или 37–40 ГГц в США, 24–27, 31–33 или 40–43 ГГц в Европе и 37–43 ГГц — в Китае. На таких частотах используемые в настоящее время технологии Silicon/LDMOS больше не в состоянии отвечать техническим требованиям сетей 5G. На частотах выше Ka-диапазона технологии GaN чаще всего обеспечивают ширину затвора 500, 250 или 150 нм. Компания OMMIC разработала технологию, обеспечивающую ширину затвора 100 нм. Эта технология, получившая название D01GH, позволяет достичь 100 ГГц.

Для реализации этого проекта компания OMMIC использовала процесс выращивания структур на основе нитрида галлия, на сегодняшний день уже доступный для контрактного производства. Принимая во внимание развитие технологий 5G и растущий объем рынка, компания выбрала процесс GaN/Si по следующим причинам:

• стоимость выращивания на кремнии ниже, чем на карбиде кремния;
• процесс лицензирования имеет значительно меньше рисков, чем лицензирование изделий на карбиде кремния;
• в долгосрочной перспективе этот тип процесса совместим для интеграции с кремниевыми КМОП-процессами.

Процесс нитрида галлия на кремнии, о котором идет речь в этой статье, обеспечивает ширину затвора 100 нм и регенерированные омические контакты. Они защищены несколькими слоями нитрида кремния (SiN) и диоксида кремния (SiO2), что в результате позволяет осуществлять корпусировку в пластиковый корпус и значительно снижает стоимость конечной продукции.

При использовании этой технологии у разработчиков имеется возможность использовать два значения плотности МДМ-конденсаторов (400 и 50 пФ/мм2), два типа сопротивления (40 и 400 Ом). Кроме того, технология обеспечивает толстое металлическое покрытие в местах отверстий через подложку для надежного радиочастотного заземления. При использовании кремния с высоким удельным сопротивлением удается уменьшить влияние потерь на подложке по сравнению с арсенидом галлия, поскольку потери 1‑мм копланарной линии составляют 0,3 дБ/мм на частоте 30 ГГц.

Основные технические характеристики процесса представлены в табл. 1. Для проектирования МИС компания OMMIC через своего дистрибьютора в России — «НПК Фотоника» — передает библиотеки данных (Procession Design Kit, PDK) со всей необходимой информацией и макетами для проектирования микросхем. Предлагаемые библиотеки включают в себя транзисторную электротермическую нелинейную модель, масштабированные модели всех пассивных элементов. Кроме того, предлагаются шумовые модели и модели ключей, что позволяет создавать многофункциональные схемы для сетей Massive MIMO 5G.

Разработка усилителя мощности на таких частотах предусматривает решение двух задач:

• частота 40 ГГц является достаточно высокой для процесса на нитриде галлия; при этом требуется, чтобы усиление было не менее 20 дБ, а выходная мощность составила 10–12 Вт;
• обеспечить контроль над рассеиваемой мощностью с учетом подложки из кремния, у которой более высокое тепловое сопротивление, чем у карбида кремния, в т. ч. выполнить требования к надежности, предъявляемые к сетям пятого поколения.

При проектировании интегральных схем следует учитывать, что на сверхвысоких частотах параметры транзистора ограничены: импеданс соединения истока со сквозными отверстиями составляет около 5 Ом, а индуктивность — 20 пГн на частоте 40 ГГц. Для сравнения: сопротивление истока транзистора равно 0,2 Ом•мм. Из-за последовательной обратной связи коэффициент усиления уменьшается.

Для обеспечения приемлемого уровня компрессии была выбрана транзисторная ячейка размером 8×65 мкм = 520 мкм с помощью симуляции, чтобы обеспечить небольшое усиление сигнала, по меньшей мере, 8 дБ в условиях оптимального согласования мощности и режима работы класса АВ. В конечном счете, при мощности 3,3 Вт/мм и потерях 1 дБ выходная мощность величиной 10 Вт обеспечивается путем использования комбинации из восьми транзисторов в выходном каскаде.

Для транзистора такого размера максимальная рассеиваемая плотность мощности для подержания точки максимальной температуры 200 и 80 °C на тыльной стороне составляет приблизительно 3,5 Вт/мм. При такой температуре средняя наработка на отказ (MTTF) равна 1 млн ч. Рассеиваемая мощность определяется следующей формулой:

P_DISS = P_DC + P_IN – P_OUT,

где P_DISS — рассеиваемая мощность; P_DC — мощность постоянного тока; P_IN — входная мощность; P_OUT — выходная мощность транзистора.

Рис. 1. Рабочие параметры транзистора размером 6×70 мкм на частоте 30 ГГц

На рис. 1 показаны результаты измерения нагрузки транзистора размером 6×70 мкм на частоте 30 ГГц. Заметим, что показатель КПД = 49% учитывает входную мощность, а не только эффективность стока. Данные в табл. 2 приведены для рассеиваемой мощности около 3,5 Вт/мм.

Таким образом, можно сделать вывод о корректности предположений при выборе размера транзистора для усилителя, работающего на частоте 40 ГГц.

Рис. 2. Топология 40-ГГц усилителя мощности на нитриде галлия

Принимая во внимание потери и выходную мощность, использовалась трехкаскадная топология, обеспечившая усиление 20 дБ. Для упрощения монтажа контактные площадки затворов были размещены рядом друг с другом, чтобы позволить коммутировать их без дополнительных переходов. Такая же схема использовалась для контактных площадок стока. Каждый отдельный каскад был рассчитан так, чтобы он был стабильным для каждой точки смещения вдоль линии нагрузки до максимальной частоты отсечки транзистора. Финальная компоновка показана на рис. 2, 3. Размеры схемы: 3,6×2,8 мм.

Рис. 3. Фотография кристалла на пластине

Результаты тестирования МИС

После изготовления МИС измерялась непосредственно на пластине с использованием СВЧ-зондов. Поскольку термический контакт на заднюю часть пластины невелик, испытания проводились в импульсном режиме с длительностью импульса 9 мкс и коэффициентом заполнения 1%.

Как видно из рис. 4, измеренное значение усиления составило 20 дБ в диапазоне 37–42 ГГц. Выходная мощность превысила 41,3 дБм (13,5 Вт) в диапазоне 38–40 ГГц. При выходной мощности 32 дБм КПД составляет 11%. Рекомендуемое производителем напряжение смещения — 12 В.

Рис. 4. Зависимость основных параметров от изменения частоты

Хотя рекомендуемое напряжение смещения равно 12 В, исследования также проводились для напряжений 8–15 В и 20 В. Как видно из рис. 5, выходная мощность растет вместе с напряжением питания. Рассеиваемая мощность транзистора показана на рис. 6 для 10, 12 и 14 В.

Рис. 5. Измерения выходной мощности и КПД с различным напряжением смещения

Рис. 6. Мощность рассеяния транзистора на частоте 40 ГГц при напряжении смещения 10, 12 и 14 В

Как видно, требуемая величина выходной мощности 10 Вт была достигнута уже при значении 10 В с рассеиваемой плотностью 3,2 Вт/мм, что дает значительный запас для термического управления конечным изделием. Для обеспечения более высокой плотности рассеиваемой мощности при более коротком сроке службы выходная мощность 15 Вт достигается на частоте 40 ГГц при рассеиваемой мощности 5 Вт/мм.

Как видно из графиков, проектирование усилителей с использованием технологии D01GH дает положительный результат, а выходные требования усилителя соответствуют требованиям, предъявляемым к современным МИС.

Одним из усилителей мощности, созданных на основе GaN/Si, является CGY2651UH/C1. У этого усилителя следующие характеристики:

• частотный диапазон: 38–44 ГГц (см. рис. 7);
• выходная мощность: 40 дБм (10 Вт);
• коэффициент усиления: 20 дБ;
• КПД: 25%;
• напряжение смещения: 12 В.

Рис. 7. Зависимость выходной мощности от частоты CGY2651UH/C1

Официальным дистрибьютором компании OMMIC в России является научно-производственная компания «Фотоника». Компания «Фотоника» занимается не только поставкой элементной базы OMMIC, но также разработкой и контрактным производством МИС по технологиям OMMIC.