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
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.
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).
Список литературы отсутствует.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Вестник Военного инновационного технополиса «ЭРА»