Аннотация. В докладе рассмотрен мировой технический уровень и тенденции развития технологии мощных СВЧ транзисторов и интегральных схем на нитриде галлия, мощных усилителей на их основе.

I. Введение

Развитие технологии СВЧ приборов на широкозонных полупроводниковых материалах в последние три года привело к существенным практическим результатам и освоению мощных СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) на нитриде галлия (GaN) в промышленном производстве. Целью настоящей работы является анализ достигнутых технических параметров GaN-транзисторов и МИС, а также транзисторных усилителей высокого уровня мощности (10-100 Вт и более) на их основе и основных тенденций развития этого класса СВЧ устройств. Основное внимание уделено практическим промышленным результатам и возможностям создания широкополосных приборов.

II. Основная часть

Интерес разработчиков мощных полупроводниковых усилителей к GaN-транзисторам (а точнее, к транзисторам на основе гетероструктур AlGaN/GaN) обусловлен рядом важных свойств широкозонных полупроводниковых соединений вообще, и нитрида галлия, в частности. Не повторяя сведений, подробно обсуждавшихся в ранее опубликованных обзорных работах [1-5], отметим важнейшие (см. таблицу 1).

Таблица 1.

Максимальная ширина запрещенной зоны обуславливает возможность работы транзистора при высоких уровнях активирующих воздействий (температуры, радиации). Очень высокая концентрация электронов в области двумерного электронного газа в сочетании с приемлемой подвижностью электронов дает возможность реализации большой плотности тока в сечении канала транзистора и высокого коэффициента усиления. Максимальная критическая напряженность электрического поля позволяет реализовать пробивные напряжения в 100-300 В и поднять рабочее напряжение стока до 50-100 В, что в сочетании с высокой плотностью тока обеспечивает удельную выходную мощность промышленных GaN-транзисторов 3-10 Вт на 1 миллиметр ширины затвора (до 30 Вт/мм в лабораторных образцах), что на порядок превышает удельную выходную мощность арсенидгаллиевых (GaAs) транзисторов. Проблемными моментами, сдерживающими развитие GaN-приборов являются задача обеспечения адекватного теплоотвода от активной структуры и необходимость выращивания эпитаксиальных структур GaN на чужеродных (отличающихся по параметрам кристаллической решетки, тепловому расширению и т.д.) подложках, из-за невозможности реализации высокоомной подложки собственно GaN.

Приборное направление GaN-транзисторов и МИС достаточно молодо. Первые демонстрации эффективных транзисторных гетероструктур AlGaN/GaN, выявляющие их основные преимущества и перспективы, относятся к 1991-1994 г.г. В конце 90-х годов появляются первые образцы GaN МИС усилителей, одновременно формируются и начинают выполняться военные и государственные программы развития данного направления [3] - американская программа WBGSTI, позднее европейские MARCOS, TIGER, KORRIGAN [6], японская NEDO. В то же время практически все ведущие мировые электронные компании, так или иначе связанные с производством GaAs-компонентов, начинают собственные инвестиции в технологию GaN-приборов. Эти инвестиции приносят свои плоды и в 2006-2007 г.г. анонсируются, а затем и реально появляются на рынке коммерческие GaN-продукты: корпусированные мощные универсальные и диапазонные транзисторы в диапазоне частот до 2-4 ГГц с выходной мощностью от 5 до 50 Вт (несколько позднее - до 120-180 Вт). Пионерами выхода на коммерческий рынок стали компании Eudyna, Nitronex, Сree и RFHIC, чуть позднее к ним присоединятся Toshiba, RFMD, TriQuint, OKI, NXP и ряд других компаний. В 2008 году появляются первые коммерческие МИС (широкополосные усилители мощности до 6 ГГц) фирмы Cree, в 2009 году анонсируются широкополосные 10-Вт МИС усилители с полосой 2-17 ГГц компанией TriQuint [7].

Основные параметры универсальных (не содержащих встроенных диапазонных согласующих цепей) корпусированных GaN-транзисторов приведены в таблице 2.

Видно, что основной функциональный состав (5-8 типов от 10 до 120 Вт) и параметры транзисторов всех производителей близки, исключением являются транзисторы серии TGF2023 фирмы TriQuint, поставляемые в виде кристаллов и работоспособные до частот 20 ГГц и более. Универсальные корпусные транзисторы поставляются в малогабаритных металлокерамических фланцевых или SMD-корпусах, имеющих относительно малые паразитные емкости, и в зависимости от мощности и диапазона частот обеспечивают в непрерывном режиме полосу рабочих частот от 30% до октавы и более.

Таблица 2

Свойства мощных внутрисогласованных транзисторов, выполняемых по различным технологиям можно проиллюстрировать данными таблицы 3, где приведены параметры выпускаемых серийно приборов уровня мощности 120 Вт, применяемых в системах связи стандарта W-CDMA в диапазоне 2 ГГц. Этот диапазон выбран намеренно, как « пограничный» между областями эффективного применения кремниевых и А₃В₅-приборов.

Таблица 3

Среди преимуществ GaN-прибора в этом применении очевидными являются существенно (в 2-4 раза) более широкая полоса рабочих частот и высокий КПД стока, как в режиме максимальной мощности, так и при усилении сложных сигналов со средней мощностью в 5 раз меньше. Кроме того достигнутые параметры реализуются в одиночном транзисторном каскаде, в то время как Si и GaAs транзисторы являются двухтранзисторными сборками (парами), требующими применения парафазных схем сложения мощностей, что значительно усложняет схему усилителя и увеличивает его массогабаритные параметры. Среди недостатков можно отметить «затянутость» динамической характеристики (компрессия усиления наблюдается при мощностях в 2-3 раза меньших максимальной) и высокую цену прибора в расчете на 1 Ватт выходной мощности.

Для оценки и сравнения возможностей применения GaN и GaAs транзисторов в схемах широкополосных усилителей мощности, а также возможностей « миграции» технических решений с одного материала на другой, проведем простой анализ их удельных (т.е., отнесенных к 1 мм ширины затвора транзистора) параметров. Воспользуемся известными [8] оценками для усилителя класса А максимальной выходной мощности Р_max и оптимального (для достижения этой мощности) сопротивления нагрузки транзистора R_opt :

Р_max= V_ds * I_max / 8 (1)

R_opt = 2 * V _ds / I_max (2)

где Vds - напряжение питания стока, Imax - максимальный ток канала открытого транзистора.

Из приведенных выражений несложно получить формулу для нового параметра - удельного оптимального сопротивления нагрузки (R_x):

R_x = V_ds ²/ 4 * P_x (3)

где P_x - удельная выходная мощность транзистора - параметр, которым широко оперируют в литературе. Типовые удельные параметры GaN и GaAs НЕМТ транзисторов, полученные из анализа линейных эквивалентных схем транзисторов, приведенных в литературе и справочных материалах фирм-изготовителей, а также указанный выше параметр R_x сведены в таблицу 4.

Таблица 4

Из анализа приведенных данных можно сделать следующие выводы:

- удельные емкость затвор-исток и крутизна GaN транзисторов (одновременно) в 1.5-2 раза ниже, чем у GaAs транзисторов, что является скорее преимуществом первых с точки зрения широкополосного согласования, так как требует меньших коэффициентов трансформации в согласующих цепях. Достижимое усиление в режиме малого сигнала можно считать достаточно близким;

- удельная емкость сток-исток, шунтирующая оптимальную нагрузку транзистора и затрудняющая построение выходной широкополосной согласующей цепи на частотах выше некоторой граничной частоты, у обоих классов транзисторов примерно одинакова.

- удельные оптимальные нагрузки транзистора (R_x ) также оказываются близкими (несколько выше для GaN-транзисторов).

Приведенные соображения позволяют сделать обоснованное предположение о том, что многие проекты и технические решения в части схем и конструкций согласующих цепей, разработанные для GaAs-транзисторов и МИС, могут быть с минимальными изменениями применены для GaN-транзисторов с равной, или на 20-50% большей шириной затвора, при этом в случае близкой длины затвора обоих типов активных структур, будут получены те же полосовые, усилительные и массогабаритные параметры, но при выходной мощности в несколько раз большей. Это также подтверждается экспериментальными результатами, полученными в работе [9]. В качестве иллюстрации возможности «миграции» технических решений на рисунке 1 приведены расчетные АЧХ широкополосного усилительного каскада диапазона 4-8 ГГц, спроектированного на GaN-транзисторе типа TGF2023-02 фирмы TriQuint c шириной затвора 2.5 мм и выходной мощностью 12 Вт, в котором в качестве варианта включена модель GaAsтранзистора типа TGF2021-02 той же фирмы с шириной затвора 2 мм и выходной мощностью 2 Вт. Для получения близких АЧХ потребовалось лишь на 50% скорректировать индуктивность присоединения затвора транзистора.

Рис.1. АЧХ тест-схемы 4-8 ГГц с моделями GaN и GaAs-транзисторов

Fig.2 4-8 GHz MIC amplifier design GaN vs GaAs transistor models

Промышленные технологии GaN-транзисторов, используемые в производстве коммерчески доступных приборов и технологии, находящиеся в лабораторной апробации характеризуются основными параметрами, приведенными в таблице 5. В 2008 году лишь одна компания (Cree Inc.) предоставляла сторонним разработчикам услуги (foundry-услуги) по изготовлению заказных GaN монолитных схем. О намерениях выхода на рынок GaN-foundry объявили TriQuint, RFMD, Selex и ряд других компаний.

Коммерчески доступные GaN монолитные усилители в виде кристаллов, либо в металлокерамических корпусах выпускаются компаниями Cree, MwT, анонсировали новые МИС компании TriQuint, RFMD.

Параметры и габариты некоторых типов МИС, как коммерчески доступных, так и описанных в публикациях, иллюстрирующие основные классы усилительных устройств и диапазоны частот применения, приведены в таблице 6.

Таблица 6

По сравнению с серийно выпускаемыми GaAs МИС новые изделия имеют в 2-10 раз большую выходную мощность и сравнимый, либо больший КПД при одинаковых или меньших размерах кристалла. Номенклатура выпускаемых GaN усилительных МИС пока в десятки (если не в сотни) раз меньше, чем GaAs МИС, однако, фаза промышленного освоения этой технологии только началась и следует ожидать в ближайшие 2-3 года резкого расширения предложений на этом рынке. В качестве иллюстрации (см. рисунок 2) темпов совершенствования параметров GaN МИС можно привести хронологию развития GaN МИС выходных усилителей Х-диапазона для радарных систем с активными фазированными решетками, большое внимание которым уделяют военные, в связи с тем, что параметры таких МИС (в первую очередь КПД и выходная мощность) определяют важнейшие тактико-технические параметры таких радаров. На рисунке 3 показаны конструкции кристаллов 40-Ваттного GaN МИС усилителя Х-диапазона [12] и самого мощного промышленного GaAs усилителя типа MAAPGM0079 фирмы M/A Com, пропорции размеров кристаллов соблюдены.

Рис.2. Параметры GaN МИС Х- диапазона

Fig.2 X-band GaN MMIC amplifiers parameters

Рис.3. Конструкции GaN МИС усилителей

Fig.3 GaN MMIC amplifiers layouts

Видно, что конструкция GaN усилителя существенно проще и имеет в 2.3 раза меньшие размеры, что дает хорошие шансы на увеличение выходной мощности GaN МИС в Х-диапазоне еще в 2-3 раза и достижение рубежа в 100 Вт уже в ближайшее время.

Исследования временной стабильности параметров и надежности GaN транзисторов, проводившиеся интенсивно при отработке промышленных технологий, привели к достижению приемлемых показателей надежности для серийных приборов. В качестве примера на рисунке 4 приведена кривая Аррениуса для мощных GaN-транзисторов на кремниевой подложке фирмы Nitronex [16]. Показано, что при температуре активной зоны кристалла 150°C среднее время наработки до отказа превышает 10⁷ часов, энергия активации E_a = 2.0. При допустимой рабочей температуре кристалла T_j=200°C средняя наработка до отказа составляет 10⁵ часов. Продемонстрирована также стойкость приборов к рассогласованию нагрузки до КСВН = 10 в режиме большого сигнала. Быстрое (в течение нескольких часов) разрушение возникает в современных GaN-транзисторах при температурах активной зоны 320-350°C.

Рис.4. Кривая Аррениуса GaN транзистора [16]

Fig.4 Arrhenius plot for GaN transistor [16]

Полученные показатели пока уступают показателям надежности современных GaAs рНЕМТ транзисторов (средняя наработка на отказ при T_j=200°C составляет 10⁶ часов, температура разрушения 370-390°C [17]), но дальнейшее быстрое совершенствование технологии GaN приборов должно наверстать это отставание. Предполагаемые максимальные рабочие температуры для GaN транзисторов могут составлять 350-400°C [18]. Рабочие параметры GaN транзисторов с шириной затвора 2.8 мм (выходная мощность 10 Вт) на подложке SiC при при увеличении температуры кристалла до 300°C исследованы в работе [19]. Малосигнальный коэффициент усиления при изменении температуры от 50 до 300°C снижается на 6 дБ, выходная мощность насыщения на 1.5 дБ, максимальный ток канала и крутизна примерно в 2 раза.

Существенные преимущества GaN-транзисторов проявляются упрощении в конструкции и увеличении выходной мощности сверхширокополосных (с перекрытием по частоте более октавы) усилителей мощности. Параметры нескольких типов таких серийных приборов приведены в таблице 7.

Таблица 7

Габаритно-весовые характеристики широкополосных усилителей, использующих GaN транзисторы, существенно превосходят таковые у GaAs-усилителей. При одинаковой выходной мощности и усилении габариты и масса (без радиатора охлаждения) GaN-усилителя в 2-4 раза меньше, чем у аналогичного GaAs-усилителя.

Одним из направлений применения GaN транзисторов является совершенствование характеристик импульсных твердотельных радаров в L-, S- и X-диапазонах. О параметрах GaN МИС для радаров X-диапазона на оанове АФАР упоминалось выше. В работе [20] описан выходной широкополосный приемо-передающий модуль АФАР, работающий в диапазоне частот от 8.7 до 11.5 ГГц, включающий четыре GaN МИС: малошумящий входной усилитель с коэффициентом шума 1.8 дБ и стойкостью к непрерывному входному сигналу 4 Вт, предварительный усилитель с выходной линейной мощностью 4-5 Вт и два выходых усилителя с выходной мощностью 14-20 Вт каждый. Модуль в целом (на выходе циркулятора) обеспечивает выходную мощность в режиме передачи 20 Вт и коэффициент шума в режиме приема 3 дБ. Специалистами института NEDI (Нанкин, КНР) продемонстрирован четырехкристалльный внутрисогласованный транзистор X-диапазона с выходной мощностью в непрерывном режиме 110 Вт и КПД 38% [22]. В S-диапазоне (2.9-3.3 ГГц) уровень импульсной выходной мощности GaN транзисторов приближается к 1000 Вт при КПД более 50% [23] для импульсного режима со скважностью 10 и длительностью импульса 200 мкс. При этом наклон вершины импульса за 200 мкс составил 0.31 дБ, а дрейф фазы менее 4 градусов.

Большой интерес разработчики GaN приборов проявляют к широкополосным системам связи, в первую очередь - к применению GaN транзисторов в базовых станциях стандартов W-CDMA, UMTS и WiMAX. Прогнозируется, что к 2012 году в общем объеме выпуска GaNприборов рынок применения в широкополосных коммерческих системах связи и телевидения будет составлять 63% против 26% рынка применения в военных системах [24]. Развитие этого направления идет как за счет совершенствования параметров самих GaNтранзисторов [25] (увеличение выходной мощности и КПД, подавление «эффектов памяти »), так и за счет применения известных схем повышения эффективности усилителей базовых станций - использование схем Доггерти [26], применение различных режимов высокоэффективного усиления (режимы класса Е [27], F [28] и другие). При достаточно высокой цене самих GaN транзисторов, их коммерческий успех связывают с такими преимуществами на системном уровне, как:

- простота (и дешевизна) схемотехнической реализации мощных усилителей;

- простота получения широких полос усиления, перекрытие одним мощным усилителем нескольких поддиапазонов станции;

- снижение энергопотребления базовой станции и связанных с ним издержек;

- уменьшение сложности и стоимости систем охлаждения.

Активно осваиваются GaN приборами диапазоны 2.1 ГГц, 3.5 ГГц, 5-6 ГГц. При мощностях усилителей уровня 10 Вт в диапазоне 2 ГГц продемонстрированы значения КПД более 70-80%, при уровне 100 Вт реализованы КПД 55-65%.

Одним из очевидных применений GaN транзисторов и МИС вяляются системы радиопротиводействия, традиционно перекрывающие многооктавные полосы частот в дециметровом и сантиметровом диапазонах. Одной из целевых задач, например, американской программы WBGSTI была разработка МИС усилителя в диапазоне 2-10 ГГц с выходной мощностью 15 Вт, и на ее основе усилительного модуля с выходной мощностью 100 Вт [3]. Эта задача уже близка к реализации, компанией TriQuint разработан монолитный усилитель с полосой 2-17 ГГц и выходной мощностью 8-12 Вт [7]. Отметим, что современные серийные GaAsМИС в этом диапазоне имеют выходную мощность 1 Вт.

В России исследования и разработки эпитаксиальных структур нитрида галлия и транзисторов на их основе проводятся рядом предприятий и научных учреждений. Среди них - ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН, ОАО «Светлана-Рост», ФГУП «НПП «Пульсар», ФГУП «НПП «Исток», ЗАО «Элма-Малахит», ИСВЧПЭ РАН, ФГУП «Гиредмет», ИФП РАН и ряд других организаций [29]. Разработаны образцы мощных и малошумящих GaN транзисторов, находящиеся в стадии лабораторных исследований. В промышленном освоении приборов, к сожалению, российские предприятия пока значительно отстают от ведущих зарубежных компаний.

III. Заключение

В 2006 - 2007 годах были решены основные производственные и технологические проблемы, не позволявшие GaN транзисторам и монолитным интегральным схемам СВЧ выйти на коммерческий рынок. С этого момента началось активное внедрение технологии нитрида галлия в СВЧ промышленность, как военную, так и коммерческую. Темпы промышленного освоения новой технологии существенно (в 2-3 раза) превышают темпы, которыми развивались технологии Si- и GaAs-приборов. В ближайшее десятилетие частотный диапазон 1-50 ГГц станет ареной серьезной борьбы двух промышленных технологий мощных твердотельных интегральных схем, практически равных по частотным и усилительным свойствам, одна из которых обладает серьезными преимуществами в параметрах (GaN), другая (GaAs) - в себестоимости и уровне освоенности в массовом производстве.

IV. Список литературы