Микроэлектроника, 2019, T. 48, № 4, стр. 308-314

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Создание электронной компонентной базы для обеспечения работоспособности твердотельных электронных систем в экстремальных условиях околоземного пространства или в специальной аппаратуре является чрезвычайно актуальной задачей [1, 2]. При этом большое значение имеет повышение энергетической эффективности монолитных интегральных схем (МИС).

Существует ряд областей радиоэлектроники, требующих достижения максимальной выходной мощности в СВЧ-диапазоне при отсутствии дополнительных теплоотводящих элементов, т.е. теплообмен только с кристалла МИС для обеспечения минимальных массогабаритных характеристик устройств. Прежде всего, такие требования возникают у разработчиков робототехнических устройств и космических аппаратов. Предельным ограничением рассеиваемой мощности с кристалла общепринято считать обеспечение выходной мощности до 3–4 Вт при рассеивании мощности на кристалле до 10 Вт.

Введем определение, что микро потребляющая электронная компонентная база должна потреблять ток менее 1 А на кристалл.

Таким образом, достичь необходимую величину выходной мощности можно варьируя значениями тока и напряжения, а также конструктивно-технологическим базисом и схемотехническими решениями для формирования максимального коэффициента полезного действия (КПД) при минимальной массе и габаритах устройств.

Рассмотрим гипотетический подход к достижению предельного значения выходной мощности 3 Вт при условии 100% КПД и условия микро потребления усилителя мощности.

Например, основную проблему создания микро потребляющих мощных усилительных модулей СВЧ диапазона 8–12 ГГц можно решить за счет уменьшения тока потребления для обеспечения заданной мощности в соответствие законом Ома (P = IU).

Возможны два крайних варианта:

Рассмотрим, как можно реализовать эти варианты, используя два конструктивно-технологических решения на основе арсенида галлия (широко применяемого в промышленности) и нитрида галлия (перспективного технологического базиса).

Например, для достижения непрерывной выходной мощности P_вых = 3.0 Вт потребуется:

– при напряжении U_п = 3.0 В ток потребления I = 1.0 А при КПД = 100% (данные режимы могут обеспечиваться на арсениде галлия);

– при напряжении U_п = 30.0 В ток потребления I = 0.1 А (данные режимы могут обеспечиваться на нитриде галлия).

Для гармонического сигнала при усилительном режиме класса А потребляемая мощность определяется как произведение действующих значений напряжения и тока от источника питания, т.е. каждое значение деленное на $\sqrt {\text{2}} .$

Запишем выражение для КПД:

Для КПД равному 50% ток потребления от источника питания увеличится в 4 раза при заданном напряжении питания. Таким образом, ток потребления I_п для арсенида галлия при U_п = 3 В составит 4 А и для нитрида галлия при U_п = 30 В составит 0.4 А.

При КПД = 30% амплитудное значение тока потребления от источника питания возрастет в 6.6 раз по сравнению с КПД = 100%.

Следовательно, для микропотребляющих мощных усилительных модулей СВЧ-диапазона можно снизить на порядок величины тока потребления и обеспечить потребление менее 1 А на основе перспективных технологических процессов с использованием наногетероструктур нитрида галлия вместо арсенида галлия или кремния-германия [3–5].

Оптимизация параметров микропотребляющих усилительных модулей по массе и габаритам связана с отсутствием дополнительных теплоотводящих конструкций и подразумевает сведение к минимально необходимому значению ширины токопроводящих частей под управлением затвора транзистора.

Удельный ток на 1 мм ширины затвора транзистора усилителя мощности для транзистора на образцах разработанных в ИСВЧПЭ РАН составляет:

– на арсениде галлия до 2.5 А/мм при пробивном напряжении 10 В;

– на нитриде галлия до 1.6 А/мм при пробивном напряжении 80 В. Таким образом, для нитрида галлия потребуется примерная ширина транзистора в 5 раз меньше чем на арсениде галлия для обеспечения выходной мощности 3 Вт.

Кроме того, в литературе [6] приведена плотность мощности на миллиметр ширины затвора для мощных транзисторов и отмечено:

– на арсениде галлия: полевые транзисторы имеют 1 Вт/мм на 10 ГГц и РНЕМТ 1.5 Вт/мм на 30 ГГц;

– на нитриде галлия НЕМТ имеют более 7 Вт/мм на 30 ГГц.

Следовательно, для микропотребляющих мощных усилительных модулей СВЧ диапазона частот 8–12 ГГц можно снизить в 5–7 раз как ток потребления, так и массогабаритные размеры мощных транзисторов на основе перспективных технологических процессов с использованием нано- гетероструктур нитрида галлия по сравнению с арсенидом галлия.

Миниатюризация усилителей открывает перспективы создания однокристальных ППМ с уменьшенными габаритами и Р_вых до 3 Вт.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Микропотребляющие усилители мощности должны работать при напряжении питания до 30 В, что соответствует напряжению бортовой сети 28 В (безопасное напряжение), и обеспечивать минимальное потребление тока (менее 1 А).

В ИСВЧПЭ РАН разработан микропотребляющий усилитель мощности (УМ) на нитриде галлия для диапазона частот 8–12 ГГц с выходной мощностью около 3 Вт при напряжении питания 30 В, токе потребления 0.6 А и КПД не менее 30%, т.е. потребляемой или рассеиваемой мощностью на кристалле не более 10 Вт.

Одним из эффективных способов снижения потребляемой мощности МИС является уменьшение количества каскадов усиления (в идеале – до одного) путем повышения коэффициента усиления единичного каскада. В этой связи уникальными возможностями обладает каскадная схема включения транзисторов (первый транзистор включен с общим истоком и второй транзистор включен с общим затвором), которая особенно интересна при использовании нитрид-галлиевой технологии, т.к. позволяет технологически совмести два транзистора в одном каскаде и значительно уменьшить его площадь. Потребность в минимизации площади кристалла СВЧ МИС связана с высокой стоимостью подложки карбида кремния по сравнению с арсенидом галлия. При этом разница в цене достигает двух порядков величины.

Электрическая схема МИС УМ выполнена на основе двух параллельно соединенных схем транзисторов в каскадном включении на Т1 с Т3 и Т2 с Т4, работающих на общую нагрузку, и показана на рис. 1. Топология МИС приведена на рис. 2.

Рис. 1.

Электрическая схема МИС УМ.

Рис. 2.

Топологический проект МИС УМ.

Для работы в классическом непрерывном режиме усиления класса А без проявления коротко-канальных эффектов транзисторы должны иметь аспектное соотношение длины затвора к толщине барьерного слоя L_g/t_bar > 10–15 [1, 2]. Использованные AlGaN/AlN/GaN гетероструктуры отечественного производства (ЗАО “Элма-Малахит”) на подложке карбида кремния (SiC) имели толщину барьерного слоя 14.7 нм и была выбрана длина затворов транзисторов 0.25 мкм, что обеспечило аспектное соотношение 17, а для подложки сапфира (Al₂O₃) – толщина барьерного слоя 13.0 нм и аспектное отношение 19.

Проектирование усилителя производилось под разработанную в ИСВЧПЭ РАН технологию [3–10], заключающуюся в создании заземляющей плоскости над лицевой поверхностью пластины с уже изготовленными активными и пассивными СВЧ элементами поверх слоя полимерного диэлектрика толщиной 10–14 мкм, что позволяет избежать необходимости формирования сквозных отверстий в подложках SiC и Al₂O₃. Заземление элементов схемы выполняется через отверстия в слое диэлектрика. Конструктивно-технологический разрез МИС с металлизацией на верхнем слое пластины показан на рис. 3.

Рис. 3.

Основные этапы технологического маршрута с металлизацией на лицевой стороне пластины.

Ширина затворов выходного транзистора каскадной схемы составляет 10 × 160 мкм = 1.6 мм (3.2 для параллельно работающих каскадных схем), что обеспечивает плотность мощности примерно 1 Вт/мм на частоте 10 ГГц.

В табл. 1 приведены основные параметры на частоте 10 ГГц разработанных в ИСВЧПЭ РАН монолитных интегральных схем УМ на каскодных транзисторах с общей нагрузкой для двух типов подложек – сапфире (Al₂O₃) и карбиде кремния (SiC), а также ближайших зарубежных аналогов – трехкаскадным УМ TriQuint TGA2238 (производитель США) [11] на GaN/SiC и Sandra-semi SDC2016 (производитель Малайзия) [12] на GaAs.

В зарубежных МИС использованы сквозные отверстия в кристалле для отвода тепла от истока и стока на заземляющую плоскость с обратной поверхности пластины и эта конструкция является стандартной. Аналогичный конструктивно-технологический базис использован в транзисторе АО “Светлана-рост” на GaN/SiC [13]. Транзистор Х-диапазона с проектной нормой длины транзистора 0.25 мкм и суммарной периферией 4 × 150 = 600 мкм для обеспечения плотности мощности 4.6 Вт/мм и выходной мощности 2.7 Вт при КПД = 50%.

В ИСВЧПЭ РАН Р_вых измерялась на зондовой станции без теплоотвода в импульсном режиме по питанию при скважности Q = 100 длительностью t = 1 мкс для обеспечения допустимого теплового режима при P_потр не более 10 Вт, а у американского аналога измерения проведены при Q = 10 и t = 100 мкс.

По расчетам при подаче напряжения питания 40 В и размещении в теплоотводящем корпусе МИС на подложке карбида кремния, разработанная в ИСВЧПЭ РАН, обеспечит на выходе мощность 4 Вт.

Важно подчеркнуть значительное уменьшение массогабаритных характеристик в 5–7 раз при изготовлении МИС с P_вых = 3 Вт в конструктивно технологическом базисе, разработанном ИСВЧПЭ РАН, по сравнению с зарубежными аналогичными усилителями мощности на подложке карбида кремния.

Кроме того, важно рассмотреть возможность замены дорогих карбид кремниевых подложек на дешевые отечественные сапфировые подложки, стоимость которых в 10 раз меньше для микропотребляющих УМ.

С этой целью в ИСВЧПЭ РАН были изготовлены МИС на нано гетеро структурах нитрида галлия по одной технологии и одинаковых фотошаблонах на двух типах изолирующих подложек: карбиде кремния (производитель Китай) и сапфире (производитель Россия). Производитель нано гетероструктур нитрида галлия – ЗАО “Элма-Малахит” (г. Зеленоград).

Из сравненных характеристик МИС табл. 1 видно, что выходная мощность нитрид-галлиевых МИС на отечественных подложках сапфира примерно на 5–10% меньше, чем на подложках карбида кремния, а стоимость МИС в 5–7 раз меньше, что является важным экономическим показателем для микропотребляемых усилительных модулей.

Зависимость выходной мощности и коэффициента усиления по мощности от входной мощности Р_вх приведены на рис. 4 для двух типов подложек: карбида кремния и сапфира. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) МИС приведены на рис. 5.

Рис. 4.

Зависимость выходной мощности Р_вых (а) и коэффициента усиления К_р (б) GaN МИС от входной мощности Р_вх для двух типов подложки – карбида кремния и сапфира.

Рис. 5.

Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) GaN МИС усилителей мощности диапазона частот 8–12 ГГц для двух типов подложек: карбид кремния и сапфира.

Представляет интерес рассмотреть влияние изменения напряжения в широком диапазоне на выходную мощность МИС на сапфировой подложке. Для этой цели экспериментальный образец был установлен на теплоотвод и исследован при максимальном напряжении питания 50 В.

В табл. 2 приведены значения параметров для образца МИС GaN/Al₂O₃ при напряжениях 20, 30, 40 и 50 В.

Из таблицы видно, что увеличение напряжения питания на каждые 10 В приводит к увеличению выходной мощности, примерно, на 0.6 Вт при изменении тока потребления в пределах 5–10%. При этом линейность растет с ростом U_пит, однако данный образец имеет низкий КПД 16–17% и выходную мощность ниже типичной.

Замена арсенида галлия на нитрид галлия позволяет создавать микропотребляющие усилительные модули с током потребления менее 1 А.

В ИСВЧПЭ РАН разработана технология изготовления МИС при напряжении питания 30 В на нитриде галлия с плотностью мощности 1 Вт/мм, которая аналогична МИС на арсениде галлия и позволяет использовать ранее применяемые материалы и технологические приемы. По данной технологии разработан комплект МИС серии 5411 [14] и прошедший необходимые испытания на надежность и безотказность.

ВЫВОДЫ

Разработанные в ИСВЧПЭ РАН МИС УМ на основе нитрид-галлиевых МИС при напряжении питания до 30 В в диапазоне частот 8–12 ГГц обеспечивают выходную мощность до 3 Вт на подложках карбида кремния, и занимают в 4–6 раз меньшую площадь кристалла, чем зарубежные.

Для микропотребляющих усилительных модулей с выходной мощностью до 3–4 Вт с кристалла при КПД 30–50%, соответственно, можно использовать подложку сапфира вместо карбида кремния для нитридных монолитных интегральных схем, практически, с незначительным ухудшением параметров до 10%, что значительно уменьшает стоимость кристаллов.

В ближайшей перспективе до 2025 г. для микропотребляющих усилителей мощности на нитрида галлия с выходной мощностью до 3–5 Вт с кристалла целесообразно перейти от дорогих подложек карбида кремния к более дешевым сапфировым для экстремальных условий применения и кремниевым для общепромышленного исполнения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение о предоставлении субсидии № 14.607.21.0011, уникальный идентификатор проекта RFMEFI60714X0011).

По результатам работы получены свидетельства на топологии интегральных микросхем МИС УМ и МШУ [15].