La nitrure de gallium est incontestablement la technologie qui permet d'obtenir un fonctionnement hautement efficace dans les applications haute fréquence, comme celles sur la bande X (8 à 12 GHz).
Et, du fait de la conductivité thermique imbattable des matériaux et d'une correspondance de structure entre eux, les appareils GaN sur SiC peuvent offrir la fiabilité à haute température et la densité de puissance indispensables à ces applications.1
Ceci étant dit, la sélection des appareils pour les applications sur la bande X ne peut se borner au choix de la technologie des matériaux. En effet, transformer les caractéristiques de matériaux en vrac en appareils GaN sur SiC hautement performants est une toute autre affaire.
Pour les concepteurs d'applications sur la bande X, Wolfspeed, le fabricant et fournisseur d'appareils GaN sur SiC verticalement intégré, qui propose également des services de fonderie, met sur la table plus de 30 ans d'expérience dans les matériaux à large bande interdite et dans le développement réussi de modèles d'appareil.
Le processus au cœur de tout
Le portefeuille de Wolfspeed contient plusieurs processus, chacun étant conçu pour répondre au mieux à un jeu différent de besoins des applications (figure 1). Par exemple, le processus G28V5 est un processus 28 V haute performance, qui cible les applications haute fréquence et le fonctionnement à fréquence inférieure pour la meilleure efficacité ou les exigences de large bande passante.
On sait bien que les dimensions de la grille ont un impact sur le gain, la fréquence et la tension de rupture. Il faut particulièrement se pencher sur la longueur de la grille, un paramètre clé, qui influence la résistance de la grille et la capacité grille-drain. En général, une grille plus courte diminue cette capacité et permet un fonctionnement à fréquence supérieure alors qu'une grille plus longue augmente cette capacité. Par conséquent, la longueur de la grille est inversement proportionnelle à la fréquence maximale (FMAX) et à la fréquence de coupure de gain unitaire (FT), comme dans un HEMT GaN.
Wolfspeed obtient diverses caractéristiques de processus, indiquées en figure 1, par des compromis soigneusement étudiés entre la fréquence maximale, la tension de rupture et la longueur de la grille, entre autres paramètres.
Ainsi, en matière de modèle d'appareil, la sélection du processus est une étape importante à laquelle l'entreprise se soumet lorsqu'elle fabrique des pièces GaN sur SiC.
Sélection du processus
Lors de la conception de MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits, circuits intégrés monolithiques hyperfréquences) GaN sur SiC pour la bande X, plusieurs choix de modèle préliminaire doivent être faits, ce qui inclut la sélection d'une technologie de processus. Le dernier processus GaN sur SiC de Wolfspeed, appelé G28V5, répond aux besoins de fonctionnement au-delà de la bande X vers 40 GHz. La diminution de la longueur de la grille à 0,15 μm a été déterminante.
Elle se compose de 2 couches interconnectées RF en or, de 2 modèles de condensateurs, de résistances GaN en vrac et à couche mince et de ponts supportés diélectriquement pour les connexions aux éléments de circuit, comme les condensateurs et les inducteurs. Le substrat SiC ne dépasse pas les 75 μm d'épaisseur et a le substrat le plus petit par les tailles disponibles sur un processus de MMIC GaN sur SiC. L'encombrement FET est ainsi minime pour les applications sur la bande X.
Caractéristiques du processus G28V5 :
- • Longueur de la grille de 0,15 μm
- • Tension de seuil (VP) ~–2 V
- • Biais de 28 V avec rupture >84 V
- • FMAX >120 GHz
- • Gain de 12 dB à 30 GHz
- • Densité de puissance de 3,75 W/mm à 30 GHz
- • Efficacité de puissance ajoutée (PAE) >40 % à 30 GHz
- • Métal 1 = 3 μm ; métal 2 = 3 μm
- • Capacité de densité standard métal-isolant-métal de 180 pF/mm2
- • Capacité haute densité de 305 pF/mm2
- • Résistance à couche mince de 12 Ω/carré
- • Résistances GaN de 66 Ω/carré et de 410 Ω/carré
Ce processus offre un temps moyen avant panne (MTTF) de plus de 1 million d'heures à 225 °C et est entièrement qualifié.
Autres éléments à prendre en compte sur les MMIC
En matière de modèle préliminaire, les autres éléments à prendre en compte incluent la taille et le biais, le nombre de transistors nécessaires pour respecter les exigences de puissance de sortie, les considérations correspondantes et les simulations de traction de charge.
Ces dernières doivent également être menées pour le processus afin de comprendre comment l'efficacité de puissance ajoutée (PAE) varie à la fréquence cible sur une plage d'impédances de charge (figure 2). Wolfspeed utilise ces mesures et décrit les appareils avec des équations physiques. Les modèles d'appareil qui en résultent sont si précis qu'un modèle de premier passage en devient possible.
Figure 2 : données de capacité du G28V5 mesurées
Amplificateur de puissance conçu pour la bande X
Une fois ces éléments pris en compte, Wolfspeed a développé le CMPA801B030S, un amplificateur de 40 W pour la plage des applications 7,9 à 11 GHz. Il appartient à la gamme CMPA801B030 des MMIC qui fournissent des sorties de crête de 30 W à 40 W, avec des gains de 16 dB à 28 dB.
Le MMIC CMPA801B030S utilise 2 facteurs de gain pour fournir un gain de signal large de 20 dB (figure 3). Son efficacité de 40 % prend en charge les exigences en courant continu des systèmes inférieurs et, en association avec une température de jonction Tj nominale à 225 °C, le MMIC simplifie le sous-système de refroidissement.
En outre, la pièce est proposée dans un boîtier QFN 7 x 7 mm surmoulé en plastique pour respecter les contraintes d'espace et les conditions d'une fabrication à haut rendement.
Du processus à l'appareil au modèle de référence
Les applications pour la bande X, comme les radars à commande de phase, avec ouverture synthétique, et les radars à antenne active, sont des équipements importants dans bien des domaines, dont la surveillance de l'espace aérien et le ciblage des armes dans le secteur de la défense, l'aviation commerciale et la navigation maritime, le contrôle des trafics aérien et maritime, les systèmes de contrôle de tir, la surveillance météorologique et même la cartographie de la végétation et la surveillance urbaine en haute résolution.
Strategy Analytics estime que le seul segment des radars pour la bande X va croître de 6,3 milliards $ en 2018 à plus de 8,7 milliards $ en 2028.2
1GaN on SiC: The Substrate Challenge (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-on-sic-the-substrate-challenge/) (en anglais)
2Strategy Analytics, Defense Radar Market and Technology Forecast: 2018–2028