回顾20年来III-V族半导体的技术进步和性能提升(中)
CSC化合物半导体 · 2020-11-27
回顾20年来III-V族半导体的技术进步和性能提升(中)
获授权转载自《微波杂志》2020年7/8月号(www.mwjournalchina.com)
多种应用的功率和效率问题
III-V技术的多种应用涉及多种功能——功放、低噪声放大器、射频开关、单芯片前端、混频器,和性能要求——功率、线性度、效率、噪声系数和开关速度等。工作频率范围从1到>100GHz,使用GaAs和GaN技术的产品多样性令人震惊:如宏蜂窝和小蜂窝基站;用于5G固定网无线接入和移动网的毫米波相控阵;回程链路;用于低地球轨道(LEO)和地球静止轨道(GEO)卫星的终端;S波段、C波段和X波段的雷达;光网络中的毫米波组件等等。并且随着这些市场的发展,新的功能、产品规格和工作频率也在不断变化之中。
图6:GaAs PHEMT的截止频率
图7:GaAs PHEMT晶体管的功率密度
没有一种单晶体管技术或工艺能够在多种功能和工作频率范围内都能提供最佳的产品性能。一系列的GaAs PHEMT和RF GaN HEMT技术已经证明是设计师的最佳选择。这些技术的主要优点体现在截止频率(?t),这是影响晶体管性能的一个重要指标。?t反映了化合物半导体器件的几何结构和工艺参数,关联最大的是工作频率、输出功率、工作电压和栅极长度(lg)。图6和图7显示了采用WIN公司GaAs PHEMT工艺的晶体管的截止频率(?t)和饱和输出功率,该工艺针对多种应用进行了优化。图中的表格显示了各种不同工艺主要晶体管的特性,对于不同的工艺,按lg从大到小排列,对于相同的lg,采取从最早工艺到最新工艺排列。每个工艺都针对特定的多样需求进行了优化:PP50-1x用于10到20W功放,工作频率低于5GHz;PP25-2x用于10W MMIC,工作频率高于10GHz;PP25-1x用于具有更高?t的30GHz应用。当截止频率?t高于90GHz时,PP15系列支持60GHz的PA MMIC,而0.1μm PP10工艺用于100GHz以下的应用。
图6说明了栅极长度(lg)变小和截止频率(?t)增加之间的趋势。这不是唯一的途径,如其中三个PP15工艺所示。最初于2001年发布的PP15-1x在5V VDD下工作,提供0.7W/mm的饱和输出功率(Psat)(图7)。为了满足更高输出功率的需要,PP15-5x工艺于2011年发布,在6V偏置下实现了0.8W/mm的饱和输出功率,并在?t上有了一定的改进。最近,线性度已经成为相互区分的一个重要因素,推动了PP15-6x的发展。2018年发布的这项技术保持了6V的工作电压,但将截止频率?t提高到100GHz,同时Psat也提高到了0.9w/mm,结果显着提高了线性度。
图8:采用PHEMT的PP15-6x和PP15-5x在29GHz的扫描功率和OIP3关系图
图8比较了PP15-6x和PP15-5x工艺的晶体管功率性能和输出三阶截距(OIP3),在29GHz和6V VDS条件下测得。PP15-6x的增益增加了1dB,PAE提高了10个百分点,Psat也有了提高。测量29GHz时的OIP3,使用一个由10MHz分开的双音输入信号,并选择最佳的输入和输出阻抗匹配,其结果显示采用最新一代晶体管的OIP3相对于PP15-5x提高了2到3dB。
最高功率密度的GaN
表1:WIN的GaN HEMT工艺
市场对更高射频功率的持续需求推动了GaN HEMT的开发和应用,GaN HEMT提供了令人印象深刻的射频功率,它是以提供最高功率密度和PAE为目标的主要的功率放大器技术,其中。为了支持从1GHz到大于30GHz的功率放大器设计,WIN公司开发了三种在100mm SiC基材上制造GaN的工艺,以提供最大的热耗散(表1)。
图9:1mm NP45-11 GaN HEMT在2.7GHz的扫描功率和效率关系图
由于GaN HEMT的带隙为3.39eV,它与带隙为1.34eV的GaAs相比具有更高的击穿电压和工作电压。GaN HEMT还使用源耦合场板(field plate)来降低峰值电场和提高击穿电压。场板使GaN晶体管能够在20V到>48V的漏极偏压下工作。从根本上说,GaN的材料特性使晶体管具有高电子密度,场板有助于提高击穿电压和工作电压,以实现功率密>10W/mm。图9显示了NP45-11工艺中4x250μm GaN HEMT的2.7GHz扫描功率特性。这种1mm晶体管在PAE为68%情况下可输出大于10W的饱和功率。
(未完待续)