Il nitruro di gallio è indiscutibilmente la tecnologia migliore per ottenere un funzionamento ad alta efficienza nelle applicazioni ad alta frequenza, come quelle in banda X (8-12 GHz).
E i dispositivi GaN-on-SiC (nitruro di gallio su carburo di silicio) possono fornire l'affidabilità alle alte temperature e la densità di corrente necessarie a queste applicazioni grazie all'imbattibile conduttività termica dei materiali e alla struttura a reticolo tra loro.1
Tuttavia, la selezione dei dispositivi per le applicazioni in banda X non si esaurisce con la scelta della tecnologia dei materiali, poiché trasformare le caratteristiche dei singoli materiali in dispositivi GaN-on-SiC ad alte prestazioni è tutt'altra cosa.
Per i progettisti di applicazioni in banda X, Wolfspeed, produttore e fornitore integrato verticalmente di dispositivi GaN-on-SiC, propone la soluzione Foundry Services che mette in campo oltre 30 anni di esperienza nei materiali Wide Band Gap (WBG) e nel loro sviluppo, oltre a successi nella progettazione dei dispositivi.
L'ingrediente segreto è il processo
Wolfspeed è in grado di proporre un'ampia gamma di processi, ciascuno progettato per soddisfare al meglio un diverso insieme di requisiti applicativi (figura 1). Ad esempio, G28V5 è un processo a 28 V ad alte prestazioni destinato ad applicazioni ad alta frequenza oltre che al funzionamento a frequenze inferiori con requisiti di massima efficienza o di elevata ampiezza di banda.
L'effetto delle dimensioni del gate su guadagno, frequenza e tensione di rottura è ben noto. Un parametro chiave da considerare è la lunghezza del gate, che ne influenza la resistenza e la capacità gate-drain. In genere, un gate più corto riduce la capacità e consente un funzionamento a frequenze più elevate, mentre una maggiore lunghezza del gate ne aumenta la capacità. Pertanto, la lunghezza del gate è inversamente proporzionale alla frequenza massima (FMAX) e alla frequenza d'interruzione del guadagno unitario (FT) esibite da un HEMT GaN.
Wolfspeed ha ottenuto le varie caratteristiche del processo mostrate nella figura 1 applicando attenti compromessi tra diversi parametri, tra cui frequenza massima, tensione di rottura e lunghezza del gate.
La selezione del processo è quindi una decisione importante nella progettazione del dispositivo effettuata dall'azienda durante la fabbricazione di parti in GaN-on-SiC.
Selezione del processo
Nella progettazione di circuiti integrati a microonde monolitici (MMIC) GaN-on-SiC per banda X, è necessario compiere diverse scelte progettuali preliminari, inclusa la selezione di una tecnologia di processo. Il più recente processo GaN-on-SiC di Wolfspeed, denominato G28V5, soddisfa le esigenze di funzionamento oltre la banda X fino a 40 GHz. Uno dei fattori chiave che ha consentito queste prestazioni è la diminuzione della lunghezza del gate a 0,15 μm.
Questa soluzione è dotata di due strati di interconnessione RF in oro, due varietà di condensatori, resistori GaN a film sottile e bulk e ponti supportati dielettricamente per le connessioni agli elementi del circuito, come condensatori e induttori. Il substrato SiC ha uno spessore di soli 75 μm e offre il substrato più piccolo tra le dimensioni disponibili in un processo per MMIC GaN-on-SiC. Ciò consente di ridurre l'ingombro del FET per le applicazioni in banda X.
Caratteristiche della soluzione G28V5:
- • Lunghezza del gate pari a 0,15 μm
- • Tensione di soglia (VP) di ~–2 V
- • Polarizzazione a 28 V con rottura >84 V
- • FMAX >120 GHz
- • Guadagno pari a 12 dB a 30 GHz
- • Densità di corrente pari a 3,75 W/mm a 30 GHz
- • Efficienza con aggiunta di potenza (PAE) >40% a 30 GHz
- • Metallo 1 = 3 μm; Metallo 2 = 3 μm
- • Capacità della densità metallo-isolante-metallo standard pari a 180 pF/mm2
- • Capacità ad alta densità pari a 305 pF/mm2
- • Resistenza a film sottile di 12 Ω/sq
- • Resistori GaN da 66 Ω/sq e 410 Ω/sq
Il processo offre un tempo medio di guasto di oltre 1 milione di ore a 225 °C e risulta pienamente qualificato.
Altre considerazioni sugli MMIC
Tra gli altri parametri da considerare preliminarmente alla progettazione vi sono le dimensioni e la polarizzazione dei transistor e il numero di transistor necessari a soddisfare i requisiti di potenza in uscita, oltre alle valutazioni sulla corrispondenza e alle simulazioni di load pull.
Inoltre, è necessario eseguire simulazioni di load pull per comprendere come varia il valore PAE (efficienza con aggiunta di potenza) alla frequenza target in un intervallo di impedenze di carico (figura 2). Wolfspeed utilizza queste misurazioni e descrive i dispositivi con equazioni fisiche. I modelli dei dispositivi risultanti sono così accurati da rendere possibile la progettazione al primo tentativo.
Figura 2: misurazioni sulla capacità di G28V5
PA progettati per la banda X
Tenendo conto di queste considerazioni, Wolfspeed ha sviluppato CMPA801B030S, un PA (amplificatore di potenza) integrato da 40 W per la gamma di applicazioni da 7,9 a 11,0 GHz. Questa soluzione fa parte della serie di MMIC CMPA801B030 che offre uscite di picco comprese tra 30 W e 40 W, con guadagni da 16 dB a 28 dB.
L'MMIC CMPA801B030S utilizza due stadi di guadagno per fornire 20 dB di guadagno di grande segnale (figura 3). La sua efficienza del 40% supporta requisiti inferiori di alimentazione in corrente continua del sistema e, con una temperatura di giunzione Tj stimata a 225 °C, l'MMIC semplifica il sottosistema di raffreddamento.
Inoltre, la parte viene commercializzata in un package QFN sovrastampato in plastica da 7×7 mm per soddisfare i requisiti relativi a vincoli di spazio ed elevato volume di produzione.
Dal processo al dispositivo al progetto di riferimento
Le applicazioni in banda X, come i radar phased array, compresi i radar ad apertura sintetica e ad array attivi a scansione elettronica, sono apparecchiature importanti in moltissimi campi, tra cui il monitoraggio dello spazio aereo e il targeting delle armi per la difesa, l'aviazione commerciale e la navigazione marittima, il controllo del traffico aereo e marittimo, i sistemi antincendio, il monitoraggio meteorologico e persino il monitoraggio urbano ad alta risoluzione e la mappatura della vegetazione.
La società di ricerche di mercato Strategy Analytics stima che il solo segmento dei radar in banda X crescerà da 6,3 miliardi di dollari del 2018 a oltre 8,7 miliardi di dollari nel 2028.2
1GaN on SiC: The Substrate Challenge (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-on-sic-the-substrate-challenge/)
2Strategy Analytics, Defense Radar Market and Technology Forecast: 2018–2028