窒化ガリウムは、Xバンド (8～12 GHz) などの高周波アプリケーションで高効率動作を実現するための、疑いの余地のない技術です。
また、GaN on SiCデバイスは、材料の優れた熱伝導性と材料間の格子整合により、これらのアプリケーションに切望されている高温信頼性と電力密度を実現できます。 1
しかし、Xバンド アプリケーション向けのデバイスの選択は、材料技術の選択だけでは終わりません。バルク材料の特性を高性能GaN on SiCデバイスに変換することは、まったく別の問題だからです。
Xバンド アプリケーションの設計者にとって、垂直統合型GaN on SiCデバイスの製造元およびプロバイダーであるWolfspeedは、ファウンドリ サービスを通じて、ワイド バンドギャップ材料と開発における30年以上の実績だけでなく、デバイス設計の成功ももたらします。
プロセスこそが秘密のソース
Wolfspeedのポートフォリオには複数のプロセスが含まれており、それぞれが異なるアプリケーション要件に最もよく適合するように設計されている（図1）。たとえば、G28V5は、最高の効率または広い帯域幅の要件を満たすために、高周波アプリケーションと低周波動作をターゲットにした高性能28 Vプロセスです。
ゲート寸法がゲイン、周波数、ブレークダウン電圧に与える影響は十分に確立されています。考慮すべき重要なパラメータはゲート長であり、これはゲート抵抗とゲート-ドレイン間容量に影響します。一般的に、ゲートが短いほど静電容量が減少し、より高い周波数での動作が可能になりますが、ゲート長が長いほどゲート静電容量が増加します。したがって、ゲート長は最大周波数（Fマックス）と単位ゲインカットオフ周波数（F T) がGaN HEMTによって示されました。
ウルフスピードは、以下に示すさまざまなプロセス特性を実現しました。 図1 最大周波数、ブレークダウン電圧、ゲート長などのパラメータ間のトレードオフを慎重に検討します。
したがって、プロセスの選択は、同社がGaN on SiC部品を製造する際に行うデバイス設計における重要なステップです。
プロセスの選択
Xバンド用のGaN on SiC MMICを設計する場合、プロセス技術の選択など、いくつかの予備的な設計選択を行う必要があります。Wolfspeedの最新のGaN on SiCプロセスであるG28V5は、Xバンドを超えて40 GHzまでの動作のニーズに対応します。これを可能にし得た主な要因は、ゲート長を0.15 μmに短縮したことです。
2つの金RF相互接続層、2種類のコンデンサ、薄膜およびバルクGaN抵抗器、コンデンサやインダクタなどの回路要素への接続用の誘電体サポート ブリッジを備えています。SiC基板の厚さはわずか75 μmで、GaN on SiC MMICプロセスで利用可能な最小の基板ビア サイズを備えています。これにより、Xバンド アプリケーション用のFETフットプリントを非常に小さくすることができます。
G28V5の機能:
- • 0.15μmゲート長
- • しきい値電圧 (VP) ~–2 V
- • 28 Vバイアス、>84 Vブレークダウン
- • F最大 >120 GHz
- • 30GHzで12dBのゲイン
- • 30GHzで3.75W/mmの電力密度
- • 電力付加効率 (PAE) >40% @ 30 GHz
- • 金属1 = 3 μm; 金属2 = 3 μm
- • 金属-絶縁体-金属標準密度静電容量180 pF/mm2
- • 高密度静電容量305 pF/mm2
- • 薄膜抵抗12Ω/sq
- • GaN抵抗器66Ω/sqおよび410Ω/sq
このプロセスは、225°Cで100万時間を超える平均故障時間を実現し、完全に認定されています。
MMICに関するさらなる検討事項
その他の予備設計上の考慮事項には、トランジスタのサイズとバイアス、出力電力要件を満たすために必要なトランジスタの数、マッチングの考慮事項、および負荷プル シミュレーションが含まれます。
負荷インピーダンスの範囲にわたってターゲット周波数でPAEがどのように変化するかを理解するために、プロセスでは負荷プル シミュレーションも実行する必要があります (図2)。Wolfspeedはこれらの測定値を使用し、物理方程式でデバイスを記述します。結果として得られるデバイス モデルは非常に正確であるため、初回設計が可能になります。
図2: 測定されたG28V5機能データ
Xバンド用に設計されたPA
これらの点を考慮して、Wolfspeedは7.9 ～ 11.0 GHzのアプリケーション範囲向けのパッケージ化された40 W PAであるCMPA801B030Sを開発しました。これは、30 W ～ 40 Wのピーク出力と16 dB ～ 28 dBのゲインを提供するCMPA801B030シリーズのMMICの一部です。
CMPA801B030S MMICは2段階のゲインを利用して20 dBの大信号ゲインを実現します (図3)。40% の効率によりシステムのDC電力要件が低減され、接合温度Tjの定格が225°Cであるため、MMICは冷却サブシステムを簡素化します。
さらに、この部品は、スペースの制約と高スループットの製造要件を満たすために、7 × 7 mmのプラスチック オーバーモールドQFNで提供されます。
プロセスからデバイス、リファレンスデザインまで
合成開口レーダーやアクティブ電子走査アレイレーダーを含むフェーズドアレイレーダーなどのXバンドアプリケーションは、空域監視や防衛のための兵器標的設定、商用航空や海上航行、航空および海上交通管制、射撃管制システム、気象監視、さらには高解像度の都市監視や植生マッピングなど、非常に幅広い市場にとって重要な機器です。
市場調査会社ストラテジー・アナリティクスは、Xバンドレーダー分野だけでも2018年の63億ドルから2028年には87億ドル以上に成長すると予測している。2
1SiC上のGaN: 基板の課題 (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-on-sic-the-substrate-challenge/)
2Strategy Analytics、防衛レーダー市場と技術予測：2018～2028年