El nitruro de galio es la tecnología indiscutible para lograr un funcionamiento de alta eficiencia en aplicaciones de alta frecuencia, como las de banda X (de 8 a 12 GHz).
Y los dispositivos de GaN en SiC pueden ofrecer la confiabilidad de alta temperatura y la densidad de potencia muy necesarias para estas aplicaciones debido a la conductividad térmica inmejorable de los materiales, así como la coincidencia de red entre ellos.1
Pero la selección de dispositivos para aplicaciones de banda X no termina con elegir la tecnología del material, ya que convertir las características del material a granel en dispositivos de GaN en SiC de alto rendimiento es otra cuestión.
Para los diseñadores de aplicaciones de banda X, Wolfspeed, el fabricante y proveedor de dispositivos de GaN en SiC integrado de forma vertical, los servicios de fundición aportan no solo más de 30 años de experiencia en materiales y desarrollo de banda ancha prohibida, sino también el éxito en el diseño de dispositivos.
El proceso es confidencial
Wolfspeed cuenta con varios procesos en su cartera, cada uno de ellos diseñado para satisfacer de la mejor manera posible un conjunto distinto de requisitos de aplicaciones (Figura 1). Por ejemplo, el G28V5 es un proceso de 28 V de alto rendimiento que está dirigido a aplicaciones de alta frecuencia, así como a un funcionamiento de baja frecuencia para los requerimientos de mayor eficiencia o de banda ultra ancha.
El efecto de las dimensiones de la compuerta sobre la ganancia, la frecuencia y la tensión de ruptura está bien establecido. Un parámetro clave a considerar es la longitud de la compuerta, que influye en la resistencia de la misma y en la capacitancia de la compuerta al drenaje. En general, una compuerta más corta disminuye la capacitancia, lo que permite un funcionamiento a mayor frecuencia, mientras que una longitud de compuerta más extensa aumenta la capacitancia de la compuerta. La longitud de la compuerta es, por tanto, inversamente proporcional a la frecuencia máxima (FMAX) y a la frecuencia de desconexión de ganancia unitaria (FT) que presenta un HEMT de GaN.
Wolfspeed ha logrado varias características de proceso que se muestran en la Figura 1 con compensaciones cuidadosamente analizadas, junto con otros parámetros, entre la frecuencia máxima, la tensión de ruptura y la longitud de la compuerta.
La selección del proceso es, por lo tanto, un paso importante en el diseño de dispositivos que la empresa realiza al fabricar piezas de GaN en SiC.
Seleccionar el proceso
En el diseño de los MMIC de GaN en SiC para la banda X, hay que tomar varias decisiones preliminares de diseño, incluida la selección de una tecnología de procesos. El último proceso de GaN en SiC de Wolfspeed, el G28V5, responde a las necesidades de funcionamiento más allá de la banda X hasta 40 GHz. Un factor clave que lo permitió fue la disminución de la longitud de la compuerta a 0,15 μm.
Cuenta con dos capas de interconexión de RF de oro, dos variedades de capacitores, resistores de película delgada y a granel de GaN, y puentes con soporte dieléctrico para las conexiones a los elementos del circuito, como capacitores e inductores. El sustrato de SiC tiene un grosor de tan solo 75 μm y cuenta con los tamaños de vía de sustrato más pequeños disponibles en un proceso MMIC de GaN en SiC. Esto permite que el tamaño del FET sea muy pequeño para las aplicaciones de banda X.
Características del G28V5:
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Longitud de compuerta de
- • 0,15- μm
- • Tensión de umbral (VP) ~–2 V
- • Polarización de 28 V con ruptura de > 84 V
- • FMAX > 120 GHz
- • Ganancia de 12 dB a 30 GHz
- • Densidad de potencia de 3,75 W/mm a 30 GHz
- • Eficiencia de energía agregada (PAE) > 40 % a 30 GHz
- • Metal 1 = 3 μm; Metal 2 = 3 μm
- • Capacitancia de densidad estándar de metal aislante a metal de 180 pF/ mm2
- • Capacitancia de alta densidad 305 pF/mm2
- • Resistencia de capa fina 12 Ω/sq
- • Resistores de GaN 66 Ω/sq y 410 Ω/sq
El proceso ofrece un tiempo medio hasta el fallo de más de 1 millón de horas a 225 °C y está plenamente calificado.
Más consideraciones sobre los MMIC
Otras consideraciones de diseño preliminares incluyen el tamaño y la polarización de los transistores, el número de estos necesario para cumplir con los requisitos de potencia de salida, las consideraciones de adaptación y las simulaciones del proceso de variación sistemática de impedancia (load-pull).
También se deben realizar simulaciones de variación sistemática de impedancia (load-pull) para que el proceso comprenda cómo varía la eficiencia de potencia agregada (PAE) en la frecuencia objetivo en un rango de impedancias de carga. (Figura 2). Wolfspeed usa estas mediciones y describe dispositivos con ecuaciones físicas. Los modelos de dispositivos resultantes son tan precisos que hacen posible el diseño inicial.
Figura 2: Datos de capacidad medidos de G28V5
PA diseñado para banda X
Teniendo en cuenta estas consideraciones, Wolfspeed ha desarrollado el CMPA801B030S, un PA empaquetado de 40 W para el rango de aplicación de 7,9 a 11,0 GHz. Es parte de la serie CMPA801B030 de MMIC que ofrece picos de salida que van desde 30 W a 40 W, con ganancias de 16 dB a 28 dB.
El MMIC CMPA801B030S utiliza dos etapas de ganancia para entregar 20 dB de ganancia de señal amplia (Figura 3). Su eficiencia del 40 % admite requisitos de alimentación de CC más bajos del sistema y, junto con una temperatura de unión Tj nominal de 225 °C, el MMIC simplifica el subsistema de enfriamiento.
Además, la pieza se ofrece en un QFN sobremoldeado de plástico de 7 × 7 mm para satisfacer las limitaciones de espacio y los requisitos de fabricación de alto rendimiento.
Del proceso al dispositivo y al diseño de referencia
Las aplicaciones de banda X, como los radares de matriz de fases, incluidos los de apertura sintética y los de matrices escaneados electrónicamente activos, son equipos importantes para una amplia gama de mercados, como el monitoreo del espacio aéreo y las armas destinadas para la defensa, la aviación comercial y la navegación marítima, el control del tráfico aéreo y marítimo, los sistemas de control de incendios, el monitoreo meteorológica e incluso la vigilancia de las ciudades de alta resolución y el mapeo de la vegetación.
El investigador de mercado Strategy Analytics estima que solo el segmento de radares de banda X crecerá de USD 6,3 mil millones en 2018 a más de USD 8,7 mil millones en 2028.2
1GaN en SiC: el desafío del sustrato (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-on-sic-the-substrate-challenge/)
2Análisis de estrategia, mercado de radares para la defensa y vigilancia tecnológica: 2018-2028