eng
Выпуск #9/2018
Аболдуев Игорь Михайлович, Краснов Вячеслив Владимирович, Миннебаев Станислав Вадимович, Филатов Анатолий Леонидович
Проектирование GaN HEMT для приемных устройств
Проектирование GaN HEMT для приемных устройств
Просмотры: 3643
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.459.463
Теги: cryogenic measurements gallium arsenide gallium nitride hemt low-noise amplifier noise factor small-signal model
ВВЕДЕНИЕ
В последние несколько лет основное внимание разработчиков и производителей электронной компонентной базы, предназначенной для использования в беспроводных линиях связи наземного и космического базирования, направлено на исследования и использование приборов на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN. Такой интерес к устройствам на данном типе материалов обусловлен рекордными значениями пробивных напряжений, удельной выходной мощности скорости насыщения электронов и достаточно хорошей теплопроводностью подложек SiC [1, 2]. Вышеперечисленные характеристики материала позволяют получать на его основе СВЧ транзисторы с удельной выходной мощностью порядка 10 Вт/мм (при f = 40 ГГц) и более чем 2 Вт/мм (при f = 80,5 ГГц), что в несколько раз превосходит значения, достигаемые на таких материалах, как Si, GaAs, InP и другие [3, 4, 5]. Высокий уровень напряжения пробоя позволяет не только достигать рекордных результатов по значениям удельной выходной мощности, но и разрабатывать и изготавливать приборы, устойчивые к воздействию непрерывной входной мощности на один-два порядка превышающей значения для традиционных малошумящих усилителей (МШУ) на основе GaAs pHEMT [6].
При разработке МШУ необходимо учитывать ряд достаточно жестких и противоречивых с точки зрения технологии изготовления требований, к основным из которых можно отнести следующие: малый коэффициент шума (Кш), высокий коэффициент усиления (Ку), широкий динамический диапазон (Д), равномерная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и линейная фазочастотная характеристика (ФЧХ) в широкой полосе частот. Для сравнения параметров СВЧ транзисторов, оказывающих влияние на соответствие МШУ вышеописанным требованиям, рассмотрим приборы, представленные в табл. 1 [7].
В данной таблице приведены характеристики приборов, изготовленных на гетероструктурах типа AlGaN/GaN и AlGaAs/GaAs, которые демонстрируют некоторые преимущества GaN HEMT в области применениях их в составе малошумящих усилителей.
Немаловажными факторами для радиоэлектронной аппаратуры являются стойкость к внешним воздействиям, в особенности к специальным воздействующим факторам и предельным значениям рабочих температур. СВЧ транзисторы на основе AlGaN/GaN могут применяться в более широком диапазоне рабочих температур, так как рабочая температура канала для них может достигать более 200 °C, в то время как аналогичный параметр для GaAs pHEMT составляет 125 °C. Также за счет большей ширины запрещенной зоны GaN обладает лучшей стойкостью к специальным факторам по сравнению c GaAs. На основании приведенных выше параметров нами был сделан вывод о перспективности применения GaN HEMT в составе малошумящих усилителей.
РАЗРАБОТКА МШУ НА ОСНОВЕ GAN HEMT И ИЗМЕРЕНИЯ КШ (Т)
С целью последующего сравнения результатов моделирования и измерения шумовых параметров малошумящих усилителей на основе GaN HEMT, разработанных и изготовленных АО «НПП «Пульсар», проведено построение моделей самих СВЧ транзисторов. В качестве модели транзистора была использована эквивалентная схема (рис. 1), которую условно можно разделить на две части: внешнюю, которая включает в себя паразитные элементы, связанные с контактами транзистора и подложкой, и внутреннюю, состоящую из источника тока, управляемого напряжением, и паразитных емкостей гетероструктуры.
Для построения модели транзистора в среде автоматизированного проектирования AWR Microwave Office требуется провести процесс восстановления эквивалентной схемы, который был разделен на три последовательных этапа:
1. Восстановление вольт-амперной характеристики (ВАХ) транзистора;
2. Восстановление внешней части эквивалентной схемы;
3. Восстановление внутренней части эквивалентной схемы.
Восстановление ВАХ осуществлялось путем ее измерения в импульсном режиме. В ходе измерений СВЧ транзисторов была экспериментально подобрана длительность импульса ~1 мкс, при которой влияние эффектов саморазогрева и перезарядки глубоких центров минимально. Также из проведенной серии экспериментов были определены параметры рабочей точки транзисторов. Для восстановления внешней и внутренней частей эквивалентной схемы использовались результаты измерений S-параметров GaN HEMT при различных режимах питания:
1. Ugs = 0 В; Uds = 0 В («холодный» режим);
2. Ugs = −4 В; Uds = 0 В («закрытый» режим);
3. –3 В < Ugs < 0 В; Uds = 10 В (рабочая точка).
В результате были восстановлены линейные эквивалентные схемы 2 типов транзисторов (рис. 2 а, б), изготовленных на гетероэпитаксиальных структурах типа AlGaN/GaN. Ширина затвора (Wg) у каждого типа транзистора составляет 300 мкм, расстояние сток-исток равно 4 мкм. Различия между 2 типами GaN HEMT заключаются в том, что у транзистора 1 типа (топология типа «гребенка») есть сквозные отверстия в области истока и «полевая плата», а у типа 2 (топология типа «рыбий скелет») они отсутствуют.
Для оценки корректности разработанных моделей транзисторов был спроектирован тестовый малошумящий усилитель с целью сравнения его расчетных и измеренных характеристик. Измерения проводились в тракте с импедансом, равным 50 Ом. Тестовый МШУ (рис. 3) представляет из себя гибридную интегральную схему (ГИС) с сумматором на мостах Ланге, применение которых было выбрано из соображений снижения КСВН входа и выхода устройства. Посадка кристаллов СВЧ транзисторов на подложку-носитель, изготовленную из МД-40, осуществлялась на клей ЭЧЭС, в связи с чем измерения параметров ГИС МШУ проводились в импульсном режиме. Измерения проводились на частоте 10 ГГц при длительности импульса 100 мкс и Q = 10, а рабочая точка СВЧ транзистора задавалась следующим режимом: Uds = 10 В, Ids = 50 мА. Значение коэффициента шума для СВЧ транзистора типа 1 составило 3,8 дБ, а для типа 2–3,5 дБ, что в пределах погрешности в 10 % совпадает с результатами расчетов в САПР AWR Microwave Office.
Помимо проведения измерений параметров ГИС МШУ при нормальных условиях, нами были проведены исследования зависимостей коэффициентов шума и усиления от температуры окружающей среды. В данной серии исследований измерения проводились в тех же рабочих точках, но в режиме непрерывной генерации (НГ). Диапазон изменения температур составлял от 10 К до 300 К. Результаты измерений приведены на рис. 4.
Из приведенных зависимостей видно, что при температуре окружающей среды 10 К коэффициент шума GaN HEMT 1 типа равняется 1,15 дБ, а 2 типа — 1,04 дБ. На основании проведенных исследований для Кш и Ку можно сделать вывод о том, что наличие сквозных отверстий и «полевой платы» в конструкции GaN HEMT негативно сказывается на параметрах, являющихся критическими для МШУ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения исследований о применимости GaN HEMT в составе МШУ нового поколения проведен обзор научных публикаций по данной тематике, проведена экстракция параметров малосигнальной модели СВЧ транзистора. Однако малосигнальная модель, построенная на основании измерений S-параметров, не дает четкого представления о значении оптимальных коэффициентов отражения входа, в связи с чем запланировано проведение измерений с использованием автоматических тюнеров импеданса в составе тракта. Также необходимо проведение доработки внутренней части эквивалентной схемы, более подробно отражающей источники шума в GaN HEMT, для более точного построения эквивалентной модели в среде Silvaco TCAD.
По результатам измерений можно сделать вывод о том, что ГИС МШУ на основе GaN HEMT имеет аналогичные ГИС МШУ на основе GaAs pHEMT шумовые характеристики, так как для СВЧ транзисторов на основе AlGaN/GaN нет необходимости в использовании входного защитного устройства. Были проведены измерения шумовых параметров транзисторов при температурах окружающей среды вплоть до 10 К. При измерениях температурной зависимой Кш и Ку транзистора было исследовано влияние наличия сквозных отверстий и «полевой платы» на шумовые характеристики приборов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Pengelly R. S., Wood S. M., Milligan J. W., Sheppard S. T., Pribble W. L. “A Review of GaN on SiC High Electron-Mobility Power Transistors and MMICs” — in IEEE MTT, Vol. 60, № 6, 2012.
2. Hobgood D., Brady M., Brixius W., Fechko G., Glass R., Henshall D., Jenny J., Leonard R., Malta D., Muller S. G., Tsvetkov V., Carter C. “Status of Large Diameter SiC Crystal Growth for Electronic and Optical Applications” — Silicon Carbide Rel. Mater., 1999 (Part 1), Mater. Sci. Forum, Vol. 338–342, p. 3–8, 2000.
3. Palacios T., et al. “High-power AlGaN/GaN HEMTs for Ka-band Applications” — Vol. 26, No. 11, pp. 781–783, 2005.
4. Chehrenegar P., Abbasi M., Grahn J., Andersson K. “Highly Linear 1–3GHz GaN HEMT Low-noise Amplifier” — in IEEE MTT-S International, 2012.
5. Mishra U., Lukin S., Kazior T., Wu Y. F. “GaN-based RF Power Devices and Amplifiers” — Proceedings of the IEEE, Vol. 96, No. 2, pp. 287–305, 2008.
6. Аболдуев И. М., Гладышева Н. Б., Дорофеев А. А., Колковский Ю. В., Миннебаев В. М., Чернявский А. А. Исследование малошумящего AlGaN/GaN ПТБШ на устойчивость к воздействию входной мощности. // Материалы VI-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», 2007 г., Россия, Владимир. — С. 47.
7. Аболдуев И. М., Миннебаев С. В., Филатов А. Л., Краснов В. В. Влияние конструкции GaN HEMT на шумовые параметры приборов. // Материалы XV научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА», 2017 г., Россия, Москва – Дубна. — С. 59.
В последние несколько лет основное внимание разработчиков и производителей электронной компонентной базы, предназначенной для использования в беспроводных линиях связи наземного и космического базирования, направлено на исследования и использование приборов на основе гетероструктур типа AlGaN/GaN. Такой интерес к устройствам на данном типе материалов обусловлен рекордными значениями пробивных напряжений, удельной выходной мощности скорости насыщения электронов и достаточно хорошей теплопроводностью подложек SiC [1, 2]. Вышеперечисленные характеристики материала позволяют получать на его основе СВЧ транзисторы с удельной выходной мощностью порядка 10 Вт/мм (при f = 40 ГГц) и более чем 2 Вт/мм (при f = 80,5 ГГц), что в несколько раз превосходит значения, достигаемые на таких материалах, как Si, GaAs, InP и другие [3, 4, 5]. Высокий уровень напряжения пробоя позволяет не только достигать рекордных результатов по значениям удельной выходной мощности, но и разрабатывать и изготавливать приборы, устойчивые к воздействию непрерывной входной мощности на один-два порядка превышающей значения для традиционных малошумящих усилителей (МШУ) на основе GaAs pHEMT [6].
При разработке МШУ необходимо учитывать ряд достаточно жестких и противоречивых с точки зрения технологии изготовления требований, к основным из которых можно отнести следующие: малый коэффициент шума (Кш), высокий коэффициент усиления (Ку), широкий динамический диапазон (Д), равномерная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и линейная фазочастотная характеристика (ФЧХ) в широкой полосе частот. Для сравнения параметров СВЧ транзисторов, оказывающих влияние на соответствие МШУ вышеописанным требованиям, рассмотрим приборы, представленные в табл. 1 [7].
В данной таблице приведены характеристики приборов, изготовленных на гетероструктурах типа AlGaN/GaN и AlGaAs/GaAs, которые демонстрируют некоторые преимущества GaN HEMT в области применениях их в составе малошумящих усилителей.
Немаловажными факторами для радиоэлектронной аппаратуры являются стойкость к внешним воздействиям, в особенности к специальным воздействующим факторам и предельным значениям рабочих температур. СВЧ транзисторы на основе AlGaN/GaN могут применяться в более широком диапазоне рабочих температур, так как рабочая температура канала для них может достигать более 200 °C, в то время как аналогичный параметр для GaAs pHEMT составляет 125 °C. Также за счет большей ширины запрещенной зоны GaN обладает лучшей стойкостью к специальным факторам по сравнению c GaAs. На основании приведенных выше параметров нами был сделан вывод о перспективности применения GaN HEMT в составе малошумящих усилителей.
РАЗРАБОТКА МШУ НА ОСНОВЕ GAN HEMT И ИЗМЕРЕНИЯ КШ (Т)
С целью последующего сравнения результатов моделирования и измерения шумовых параметров малошумящих усилителей на основе GaN HEMT, разработанных и изготовленных АО «НПП «Пульсар», проведено построение моделей самих СВЧ транзисторов. В качестве модели транзистора была использована эквивалентная схема (рис. 1), которую условно можно разделить на две части: внешнюю, которая включает в себя паразитные элементы, связанные с контактами транзистора и подложкой, и внутреннюю, состоящую из источника тока, управляемого напряжением, и паразитных емкостей гетероструктуры.
Для построения модели транзистора в среде автоматизированного проектирования AWR Microwave Office требуется провести процесс восстановления эквивалентной схемы, который был разделен на три последовательных этапа:
1. Восстановление вольт-амперной характеристики (ВАХ) транзистора;
2. Восстановление внешней части эквивалентной схемы;
3. Восстановление внутренней части эквивалентной схемы.
Восстановление ВАХ осуществлялось путем ее измерения в импульсном режиме. В ходе измерений СВЧ транзисторов была экспериментально подобрана длительность импульса ~1 мкс, при которой влияние эффектов саморазогрева и перезарядки глубоких центров минимально. Также из проведенной серии экспериментов были определены параметры рабочей точки транзисторов. Для восстановления внешней и внутренней частей эквивалентной схемы использовались результаты измерений S-параметров GaN HEMT при различных режимах питания:
1. Ugs = 0 В; Uds = 0 В («холодный» режим);
2. Ugs = −4 В; Uds = 0 В («закрытый» режим);
3. –3 В < Ugs < 0 В; Uds = 10 В (рабочая точка).
В результате были восстановлены линейные эквивалентные схемы 2 типов транзисторов (рис. 2 а, б), изготовленных на гетероэпитаксиальных структурах типа AlGaN/GaN. Ширина затвора (Wg) у каждого типа транзистора составляет 300 мкм, расстояние сток-исток равно 4 мкм. Различия между 2 типами GaN HEMT заключаются в том, что у транзистора 1 типа (топология типа «гребенка») есть сквозные отверстия в области истока и «полевая плата», а у типа 2 (топология типа «рыбий скелет») они отсутствуют.
Для оценки корректности разработанных моделей транзисторов был спроектирован тестовый малошумящий усилитель с целью сравнения его расчетных и измеренных характеристик. Измерения проводились в тракте с импедансом, равным 50 Ом. Тестовый МШУ (рис. 3) представляет из себя гибридную интегральную схему (ГИС) с сумматором на мостах Ланге, применение которых было выбрано из соображений снижения КСВН входа и выхода устройства. Посадка кристаллов СВЧ транзисторов на подложку-носитель, изготовленную из МД-40, осуществлялась на клей ЭЧЭС, в связи с чем измерения параметров ГИС МШУ проводились в импульсном режиме. Измерения проводились на частоте 10 ГГц при длительности импульса 100 мкс и Q = 10, а рабочая точка СВЧ транзистора задавалась следующим режимом: Uds = 10 В, Ids = 50 мА. Значение коэффициента шума для СВЧ транзистора типа 1 составило 3,8 дБ, а для типа 2–3,5 дБ, что в пределах погрешности в 10 % совпадает с результатами расчетов в САПР AWR Microwave Office.
Помимо проведения измерений параметров ГИС МШУ при нормальных условиях, нами были проведены исследования зависимостей коэффициентов шума и усиления от температуры окружающей среды. В данной серии исследований измерения проводились в тех же рабочих точках, но в режиме непрерывной генерации (НГ). Диапазон изменения температур составлял от 10 К до 300 К. Результаты измерений приведены на рис. 4.
Из приведенных зависимостей видно, что при температуре окружающей среды 10 К коэффициент шума GaN HEMT 1 типа равняется 1,15 дБ, а 2 типа — 1,04 дБ. На основании проведенных исследований для Кш и Ку можно сделать вывод о том, что наличие сквозных отверстий и «полевой платы» в конструкции GaN HEMT негативно сказывается на параметрах, являющихся критическими для МШУ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения исследований о применимости GaN HEMT в составе МШУ нового поколения проведен обзор научных публикаций по данной тематике, проведена экстракция параметров малосигнальной модели СВЧ транзистора. Однако малосигнальная модель, построенная на основании измерений S-параметров, не дает четкого представления о значении оптимальных коэффициентов отражения входа, в связи с чем запланировано проведение измерений с использованием автоматических тюнеров импеданса в составе тракта. Также необходимо проведение доработки внутренней части эквивалентной схемы, более подробно отражающей источники шума в GaN HEMT, для более точного построения эквивалентной модели в среде Silvaco TCAD.
По результатам измерений можно сделать вывод о том, что ГИС МШУ на основе GaN HEMT имеет аналогичные ГИС МШУ на основе GaAs pHEMT шумовые характеристики, так как для СВЧ транзисторов на основе AlGaN/GaN нет необходимости в использовании входного защитного устройства. Были проведены измерения шумовых параметров транзисторов при температурах окружающей среды вплоть до 10 К. При измерениях температурной зависимой Кш и Ку транзистора было исследовано влияние наличия сквозных отверстий и «полевой платы» на шумовые характеристики приборов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Pengelly R. S., Wood S. M., Milligan J. W., Sheppard S. T., Pribble W. L. “A Review of GaN on SiC High Electron-Mobility Power Transistors and MMICs” — in IEEE MTT, Vol. 60, № 6, 2012.
2. Hobgood D., Brady M., Brixius W., Fechko G., Glass R., Henshall D., Jenny J., Leonard R., Malta D., Muller S. G., Tsvetkov V., Carter C. “Status of Large Diameter SiC Crystal Growth for Electronic and Optical Applications” — Silicon Carbide Rel. Mater., 1999 (Part 1), Mater. Sci. Forum, Vol. 338–342, p. 3–8, 2000.
3. Palacios T., et al. “High-power AlGaN/GaN HEMTs for Ka-band Applications” — Vol. 26, No. 11, pp. 781–783, 2005.
4. Chehrenegar P., Abbasi M., Grahn J., Andersson K. “Highly Linear 1–3GHz GaN HEMT Low-noise Amplifier” — in IEEE MTT-S International, 2012.
5. Mishra U., Lukin S., Kazior T., Wu Y. F. “GaN-based RF Power Devices and Amplifiers” — Proceedings of the IEEE, Vol. 96, No. 2, pp. 287–305, 2008.
6. Аболдуев И. М., Гладышева Н. Б., Дорофеев А. А., Колковский Ю. В., Миннебаев В. М., Чернявский А. А. Исследование малошумящего AlGaN/GaN ПТБШ на устойчивость к воздействию входной мощности. // Материалы VI-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», 2007 г., Россия, Владимир. — С. 47.
7. Аболдуев И. М., Миннебаев С. В., Филатов А. Л., Краснов В. В. Влияние конструкции GaN HEMT на шумовые параметры приборов. // Материалы XV научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА», 2017 г., Россия, Москва – Дубна. — С. 59.
Отзывы читателей
