Микроэлектроника, 2020, T. 49, № 6, стр. 429-435

Существует ряд областей радиоэлектроники, требующих достижения максимальной выходной мощности в СВЧ диапазоне при отсутствии дополнительных теплоотводящих элементов. В таких модулях для обеспечения минимальных массогабаритных характеристик устройств теплообмен обеспечивается исключительно с кристалла усилителя. Прежде всего, такие требования возникают у разработчиков робототехнических устройств и космических аппаратов.

Частотные характеристики полупроводниковых приборов в значительной мере определяются подвижностью носителей заряда, а наиболее перспективными являются СВЧ приборы с применением полупроводниковых материалов с высокой подвижностью носителей заряда (НЕМТ). Среди них особое место занимает нитрид галлия (GaN) и гетероструктуры AlN/GaN, которые формируются на таких подложках, как карбид кремния, сапфир и кремний, обеспечивающих функционирование при высоких температурах и высоком уровне радиации.

Это связано с уникальными электрофизическими свойствами GaN: широкой запрещенной зоной, высокой подвижностью и высокой скоростью насыщения электронов, высокими пробивными полями, достаточно высокой теплопроводностью и другими полезными свойствами, что позволяет создавать мощные высокочастотные транзисторы на основе таких структур. Использование широкозонных материалов и гетероструктур в настоящее время является приоритетным направлением развития транзисторов и комплексированных изделий на их основе.

СВЧ транзисторы, выполненные по GaN-технологии, имеют высокую удельную мощность на миллиметр ширины затвора до 8 Вт/мм, что почти на порядок превышает удельную выходную мощность СВЧ транзисторов, выполненных по GaAs-технологии, и являются ядром модулей сверхбыстродействующей твердотельной электроники.

В ИСВЧПЭ РАН изготовлен нитрид-галлиевый трехкаскадный усилитель по схеме с суммированием мощности на подложке карбида кремния для W-диапазона (диапазона частот 84–96 ГГц) на транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT) и длиной затвора 90 нм на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/SiC, изготовленных ЗАО “Элма-Малахит” (рис. 1).

Рис. 1.

Схема базового усилителя для трехкаскадного усилителя (а); фотография изготовленного трехкаскадного усилителя для диапазона частот 84–96 ГГц (б).

Измерения малосигнальных S-параметров и выходной мощности усилителя проводились совместно с АО “НПП “Исток” им. Шокина”. Для измерений использовался контактный метод, основанный на контакте СВЧ зондов и зондов питания с исследуемыми кристаллами усилителей, расположенных на неутоненной и неразрезанной пластине со структурами монолитной интегральной схемы (МИС).

Результаты измерения малосигнальных S-параметров экспериментальных образцов трехкаскадных усилителей при напряжении питания 10 В приведены на рис. 2–4 и имеют коэффициент усиления (S21) не менее 12 дБ при коэффициенте стоячей волны (КСВ) по входу и выходу не более 2 в полосе 84–96 ГГц, неравномерность не превышает 1 дБ, а максимальный коэффициент усиления 14.5 дБ достигается на частотах 85 и 92 ГГц.

Рис. 2.

Результаты измерения коэффициента передачи S21 пяти экспериментальных образцов трехкаскадного усилителя.

Рис. 3.

Результаты измерения КСВ по входу пяти экспериментальных образцов трехкаскадного усилителя.

Рис. 4.

Результаты измерения КСВ по выходу пяти экспериментальных образцов трехкаскадного усилителя.

Для проведения измерений выходной мощности экспериментальных образцов усилителей использовался стенд АО “НПП “Исток” им. Шокина”. На вход испытуемой МИС через волноводный СВЧ зонд и волноводную поворотную секцию подается СВЧ сигнал с генератора.

В качестве СВЧ генератора используется технологический генератор диапазона 90–94 ГГц с постоянной выходной мощностью. На выходе генератора устанавливается регулируемый поляризационный аттенюатор с диапазоном регулировки 0–50 дБ.

Измерения выходной мощности экспериментальных образцов трехкаскадных усилителей проводились при выходной мощности генератора 30 и 52 мВт на частотах 92 и 94 ГГц соответственно.

На рис. 5 представлена динамическая характеристика усилителя на частоте 92 ГГц. На рис. 6 представлена зависимость выходной мощности усилителя от напряжения на стоке на частотах 92 и 94 ГГц.

Рис. 5.

Динамическая характеристика усилителя на частоте 92 ГГц.

Рис. 6.

Зависимость выходной мощности усилителя от напряжения на стоке на частотах 92 и 94 ГГц при входной мощности 16.87 мВт.

В ходе измерений выходной мощности усилителя в волноводном тракте зафиксирована максимальная насыщенная мощность 20.26 дБм (106 мВт) при входной мощности 12.2 дБм и напряжении питания 14 В (рис. 6). Удельная выходная мощность выходного каскада усилителя с общей шириной затворов транзисторов 200 мкм при этом достигает 530 мВт/мм.

ИСВЧПЭ РАН совместно с ЗАО “Элма-Малахит” и НИЦ “Курчатовский институт” была проведена работа по созданию гетероструктур (г/с) с уменьшенной толщиной барьерного слоя t_B. Параметры гетероструктур представлены в табл. 1.

По мере утонения t_B гетероструктур и технологии затворов наблюдалось повышение частотных параметров НЕМТ (рис. 7), как результат повышения аспектного отношения L_G/t_B для фиксированной длины затвора транзистора L_G.

Рис. 7.

Повышение f_T и f_max НЕМТ по мере утонения барьера гетероструктур.

Интересно отметить, что наилучшие СВЧ параметры НЕМТ максимального коэффициента усиления по току f_T > 100 ГГц при максимальной частоте усиления по мощности f_MAX > 200 ГГц (рис. 8) были получены на гетероструктуре V-1911, не с минимальной толщиной t_B, но с максимальной величиной подвижности, что предполагает большую величину дрейфовой скорости электронов. Предельно достижимый коэффициент усиления НЕМТ на частоте 90 ГГц в этом случае составлял 7 дБ. На этой же гетероструктуре V-1911 были получены и наилучшие СВЧ параметры усилителя.

Рис. 8.

СВЧ параметры нитридных НЕМТ на гетероструктуре V-1911-5 (ЗАО “Элма-Малахит”).

Увеличение выходной мощности усилителя может быть достигнуто двумя способами.

Первый способ заключается в увеличении общей ширины затвора транзисторов выходного каскада в обычной или балансной схеме включения. При уровне удельной выходной мощности 530 мВ/мм для этого потребуется выходной каскад с периферией 1.9 мм, что эквивалентно применению 10 базовых транзисторных ячеек с конфигурацией 4 × 50 мкм. При этом могут возникнуть потенциальные сложности как с теплоотводом, так и с построением большого числа цепей деления и суммирования мощности, приводящие к увеличению потерь и уменьшению абсолютной выходной мощности и КПД. Кроме того, в данной конфигурации представляет сложность заземление большого количества истоков транзисторов.

Следует отметить трудность технологии травления сквозных отверстий в подложках SiC при изготовлении МИС по микрополосковой технологии. Применение же копланарной технологии без заземляющих сквозных отверстий, по нашему мнению, малоперспективно ввиду сложности с обеспечением устойчивости усилителя с высокой выходной мощностью.

Решением проблемы может послужить применение технологии формирования плоскости заземления над лицевой поверхностью кристалла поверх слоя диэлектрического материала, успешно примененной в ряде работ ИСВЧПЭ РАН [1, 2]. При этом заземление соответствующих элементов производится через отверстия в слое диэлектрического материала.

Второй способ, представляющийся нам более перспективным, связан с совершенствованием гетероструктур. На рис. 9 показаны расчетные зависимости удельной выходной мощности нитридных НЕМТ в W-диапазоне от толщины барьера гетероструктуры t_B в диапазоне длин затворов L_G от 100 до 300 нм, выполненные на основе зависимостей, полученных в [3]. Звездочкой на рисунке показан уровень разработанного усилителя. Из рисунка следует, что при использовании более тонких гетероструктур толщиной, например, 6 нм можно ожидать значительного повышения удельной мощности транзисторов в W-диапазоне (до 3.4 Вт/мм). Это позволит поднять выходную мощность разработанной МИС УМ до величины около 500 мВт, что крайне желательно для практического применения. Важно, что при этом не требуется разрабатывать новый усилитель. Увеличение мощности будет достигнуто с применением той же самой топологии микросхемы. При дальнейшем утонении барьерного слоя гетероструктуры до 4 нм теоретически ожидается удельная выходная мощность 6 Вт/мм, при которой выходная мощность усилителя может возрасти до 1.2 Вт.

Рис. 9.

Расчетные зависимости удельной выходной мощности нитридных НЕМТ в W-диапазоне от толщины барьера гетероструктуры t_B в диапазоне длин затворов L_G от 100 до 300 нм.

Применение более тонких гетероструктур, как было показано в [4], должно способствовать не только увеличению выходной мощности усилителя, но и снижению коэффициента шума.

Кроме того, для увеличения выходной мощности усилителя возможно комбинирование двух вышеуказанных способов. Например, при уменьшении толщины гетероструктуры до 10 нм удельная выходная мощность возрастает до 1.2 Вт/мм, что допускает применение 5 базовых транзисторных ячеек с конфигурацией 4 × 50 мкм вместо 10, требующихся при толщине барьерного слоя 13.7 нм, что существенно упростит топологию микросхемы. При дальнейшем уменьшении толщины до 6 нм с использованием всего 2 базовых транзисторных ячеек с конфигурацией 4 × 50 мкм теоретически возможно получить выходную мощность 1.3 Вт.

Таким образом, с целью увеличения выходной мощности усилителя до 1–2 Вт необходимо на предприятиях-изготовителях гетероструктур провести работы по созданию нового класса эффективных нитридных гетероструктур с толщиной барьерного слоя 5–10 нм для W-диапазона.

В обзоре [5] проанализировано более 20 зарубежных источников и рассмотрены варианты построения монолитных интегральных схем для W-диапазона, являющегося привлекательным для применения в системах связи и радиолокации. Особое внимание уделено возможности использования нитрида галлия в микросхемах.

Для оценки уровня МИС, разработанных в ИСВЧПЭ РАН, был проведен анализ, и в табл. 2 представлено сравнение полученных параметров с достижениями мировых лидеров в миллиметровом диапазоне длин волн – Института Фраунгофера и фирмы Raytheon, работы [6–8].

Из анализа изложенной информации следует, что параметры разработанных усилителей W-диапазона на нитридных гетероструктурах хорошо соответствуют лучшим зарубежным образцам по коэффициенту усиления и удельной выходной мощности, но уступая по параметру абсолютной выходной мощности. Это объясняется применением в выходном каскаде транзисторов с общей шириной 200 мкм по сравнению с шириной у зарубежных аналогов 720–800 мкм [6, 7] и 320 мкм [8], соответственно. Отметим, что разработанные в ИСВЧПЭ РАН экспериментальные образцы имеют значения КСВ по входу и выходу менее 2 в полосе частот шириной 10–11 ГГц, тогда как у зарубежных аналогов эта величина часто лежит в пределах от 2 до 3 (табл. 2).