Вестник Военного инновационного технополиса «ЭРА», 2022, T. 3, № 2, стр. 200-202

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

И. С. Езубченко 1*, Е. М. Колобкова 1, А. А. Андреев 1, М. Я. Черных 1, Ю. В. Грищенко 1, П. А. Перминов 1, И. А. Черных 1, М. Л. Занавескин 1

1 Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Москва, Россия

* E-mail: ezivan9@gmail.com

Поступила в редакцию 01.06.2022
После доработки 08.06.2022
Принята к публикации 15.06.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

На AlN/GaN-гетероструктурах на подложках кремния созданы и исследованы сверхвысокочастотные транзисторы, на их основе создан широкополосный усилитель мощности для диапазона частот 0.1–30 ГГц. Коэффициент усиления по мощности составил 16 ± 1 дБ во всем рабочем диапазоне.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мире активно ведется разработка усилителей мощности на основе гетероструктур нитрида галлия для применений в средствах связи, радиолокации и радиоэлектронной борьбы [1].

В Х-диапазоне частот (до 12 ГГц) допускается гибридная сборка усилителей мощности [2–4]. При переходе к более высоким частотам (18 ГГц и выше) необходимо монолитное исполнение активных и пассивных элементов на пластине, так как паразитные индуктивности внешних элементов коммутации существенно снижают коэффициент усиления и приводят к ухудшению выходных характеристик микросхем [5]. При изготовлении монолитных интегральных схем (МИС) все пассивные и активные элементы, составляющие устройство, формируются в едином технологическом цикле. Процесс создания МИС на основе гетероструктур нитрида галлия включает в себя ряд технологических этапов [6]. Ключевой технологией изготовления МИС является создание транзисторов с высоким коэффициентом усиления в широком частотном диапазоне. Данное исследование посвящено разработке широкополосного усилителя мощности на базе транзисторов с длиной затвора 100 нм для миллиметрового диапазона длин волн.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Ввиду многочисленного количества операций при формировании широкополосного усилителя мощности малосигнальные СВЧ-характеристики дискретных транзисторов являются ключевыми параметрами, характеризующими как пригодность гетероструктуры для выбранного частотного диапазона и совершенство технологического процесса, так и работоспособность будущей МИС. Частотные зависимости модуля коэффициента передачи по току |h21|, максимально достижимого/стабильного коэффициента усиления по мощности MSG/MAG и коэффициента усиления Масона U для дискретных транзисторов с длиной затвора 100 нм и шириной 2 × 100 мкм (рис. 1) строили на основе измеренных S-параметров (рис. 2). Предельные частоты усиления по току ft и мощности fmax, определенные методом линейной экстраполяции, составили 124 и 161 ГГц соответственно. В то же время коэффициент усиления по мощности MSG/MAG вплоть до частоты 30 ГГц был более 13 дБ. Измеренные СВЧ-характеристики дискретных транзисторов приведены в табл. 1.

Рис. 1.

Изображение дискретного транзистора на кристалле, полученное в растровом электронном микроскопе.

Рис. 2.

Частотные зависимости модуля коэффициента передачи по току |h21|, коэффициента усиления по мощности MSG/MAG и коэффициента усиления Масона U. Напряжение смещения сток–исток +5 В, напряжение на затворе Vg = –1 В.

Таблица 1.

Параметры транзистора 2 × 100 мкм

Параметр  
Коэффициент усиления по мощности на 30 ГГц, дБ 13.7
Предельная частота усиления по току ft, ГГц 124
Предельная частота усиления по мощности, fmax, ГГц 161

Высокие предельные частоты и коэффициент усиления по мощности в широком частотном диапазоне свидетельствуют о создании эффективных транзисторов усиления и позволяют перейти к созданию усилителя мощности на их основе.

На рис. 3 представлены малосигнальные СВЧ‑характеристики широкополосного усилителя мощности, созданного на базе дискретных транзисторов с длиной затвора 100 нм. Созданный усилитель мощности характеризуется коэффициентом усиления по мощности более 15 дБ в полосе частот 0.1–30 ГГц при напряжении питания 15 В. Следует отметить высокую равномерность коэффициента усиления во всем рабочем диапазоне: неравномерность не превышает 1 дБ. Характеристики широкополосного усилителя мощности приведены в табл. 2.

Рис. 3.

Частотная зависимость коэффициента усиления по мощности MSG/MAG широкополосного усилителя при напряжении питания 15 В.

Таблица 2.

Параметры усилителя мощности

Параметр  
Рабочий диапазон частот, ГГц 0.1–30
Средний коэффициент усиления по мощности в рабочем диапазоне, дБ 16
Неоднородность коэффициента усиления, дБ 1
Напряжение питания, В 15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе гетероструктуры нитрида галлия на подложке кремния созданы транзисторы с длиной затвора 100 нм, на которых были продемонстрированы высокие СВЧ-характеристики. Создание тестовых транзисторов является необходимым этапом при проектировании и создании МИС. В первую очередь, это необходимо для подтверждения качества гетероструктуры и пригодности ее применения для заданного диапазона частот. Также характеристики транзисторов позволяют оценить совершенство технологии и корректность выбора отдельных технологических приемов.

Созданный усилитель мощности в монолитном исполнении характеризуется высокими коэффициентом усиления и однородностью в диапазоне частот 0.1–30 ГГц.

Полученные результаты находятся на высоком мировом уровне, а также имеют высокий потенциал дальнейшего развития.

Работа выполнена при финансовой поддержке Национального исследовательского центра “Курчатовский институт” (приказ № 2753 от 28.10.2021).

Дополнительные материалы отсутствуют.