질화갈륨(GaN)은 X-대역(8~12GHz) 같은 고주파 용도에서 작업 효율이 우수한 것으로 인정받고 있습니다.
또한 GaN-on-SiC 소자는 재료의 엄청나게 높은 열 도전율과 재료 사이의 격자 정합 때문에 해당 적용 분야에서 특히 필요한 고온 안정성과 전력 밀도 요건도 충족할 수 있습니다.1
하지만 X-대역용 소자를 선택하는 것으로 재료 기술 선택이 끝나는 것은 아닙니다. 벌크 재료 특성을 고성능 GaN-on-SiC 소자로 바꾸는 것은 별개의 문제이기 때문입니다.
X-대역 용도 설계자를 위해 수직 통합형 Gan-on-SiC 소자를 제조하여 공급하는 Wolfspeed는 30년 이상 광역 밴드갭 재료를 사용하고 개발해온 경험과 소자 설계에 성공한 경험을 바탕으로 공정 서비스에 기여하고 있습니다.
비법은 프로세스
Wolfspeed는 자사 포트폴리오에 여러 프로세스를 두고 있는데, 각 프로세스는 다양한 애플리케이션 요건을 최적으로 충족하도록 설계되었습니다(그림 1). 예를 들어, G28V5는 고주파 용도뿐만 아니라 최고 효율 또는 광역폭 요건에 필요한 저주파 작업도 겨냥한 고성능 28-V 공정입니다.
게이트 치수가 게인, 주파수, 파괴 전압에 영향을 준다는 것은 다들 알고 있는 사실입니다. 고려해야 할 주요 매개변수는 게이트 저항과 게이트-드레인 정전용량에 영향을 주는 게이트 길이입니다. 일반적으로 게이트가 짧을수록 정전용량이 줄어 작동할 수 있는 주파수가 높아지며, 게이트 길이가 길수록 게이트 정전용량이 커집니다. 따라서 게이트 길이는 GaN HEMT에서 보이는 최대 주파수(FMAX)와 단위-이득 차단 주파수(FT)에 반비례합니다.
Wolfspeed는 여러 매개변수 중에서도 특히 최대 주파수, 항복 전압, 게이트 길이 사이의 상쇄 관계를 면밀히 고려하여 그림 1에 표시된 다양한 프로세스 특성을 달성했습니다.
따라서 프로세스 선택은 Wolfspeed에서 GaN-on-SiC 부품을 제조할 때 실시하는 소자 설계에서 중요한 단계입니다.
프로세스 선택
X-대역용 GaN-on-SiC MMIC를 설계할 때는 프로세스 기술 선택을 포함하여 몇 가지 예비 설계를 선택해야 합니다. Wolfspeed의 최신 GaN-on-SiC 프로세스인 G28V5는 X-대역을 넘어 40GHz까지 작업해야 하는 경우에 적합합니다. 이것이 가능한 이유는 게이트 길이를 0.15μm로 줄였기 때문입니다.
여기에는 금 소재의 RF 상호 연결 층 2개, 두 종류의 커패시터, 박막 및 벌크 GaN 저항기, 커패시터와 인덕터 같은 회로 소자를 연결하는 유전체 지지 브리지가 포함됩니다. SiC 기판은 두께가 겨우 75μm이며, GaN-on-SiC MMIC 프로세스에서 사용할 수 있는 크기 중에서 가장 작은 기판입니다. 따라서 X-대역 용도에서 FET 점유 공간을 크게 줄일 수 있습니다.
G28V5의 특징
- • 0.15-μm의 게이트 길이
- • 임계 전압(VP)~–2V
- • 파괴값 >84의 28-V 바이어스
- • FMAX >120GHz
- • 30GHz에서 12-dB 게인
- • 30GHz에서 3.75-W/mm의 전력 밀도
- • 30GHz에서 전력 추가 효율(PAE) >40%
- • 금속 1 = 3μm, 금속 2 = 3μm
- • 금속-절연체-금속 표준 밀도 정전용량 180pF/mm2
- • 고밀도 정전용량 305pF/mm2
- • 박막 저항 12Ω/sq
- • GaN 저항기 66Ω/sq 및 410Ω/sq
이 프로세스는 225°C에서 평균 가동 시간이 1백만 시간 이상이며, 적격성 기준을 완벽하게 충족했습니다.
MMIC의 기타 고려사항
그 외의 예비 설계 고려사항으로는 트랜지스터 크기와 바이어스, 출력 전력의 요구 사항을 충족하는 데 필요한 트랜지스터 수, 매칭 고려사항, 부하 측정 시뮬레이션이 있습니다.
프로세스에도 부하 측정 시뮬레이션을 실시하여 부하 임피던스 범위에서 PAE가 목표 주파수에서 어떻게 다른지 파악해야 합니다(그림 2). Wolfspeed는 이러한 측정을 사용하여 물리적 방정식으로 소자를 설명합니다. 이렇게 얻어지는 소자 모델은 매우 정확하여 초회 통과 설계가 가능합니다.
그림 2: 측정된 G28V5 성능 데이터
X-대역용으로 설계된 PA
이러한 사항을 고려하여 Wolfspeed는 7.9~11.0GHz 사용 범위에서 40-W PA인 CMPA801B030S 패키지를 개발했습니다. 이 제품은 CMPA801B030 시리즈 MMIC에 속하며, 최대 출력 범위가 30~40W이며, 이득은 16~28dB입니다.
CMPA801B030S MMIC는 두 단계의 이득을 활용해 20dB의 큰 신호 이득을 구현합니다(그림 3). 40%의 효율로 하부 시스템 DC 전력 요구량을 지원하고, 정션 온도 Tj 정격이 225°C이기 때문에, 이 MMIC는 냉각 장치를 간소화합니다.
그리고 이 부품은 7×7mm 플라스틱 오버몰드 QFN으로 제공되어 공간 제약과 고처리량 제조 요구사항을 충족합니다.
참조 설계에 맞춰 소자 가공
합성 개구 레이더와 능동형 전자 주사 배열 레이터를 포함하는 위상 배열 레이더 같은 X-대역 용도는 항공우주 모니터링, 방위용 무기 조준, 상업 항공 및 해상 운항, 항공 및 해상 교통 관제, 화기 제어 시스템, 기상 관측, 고해상도 도시 환경 감시, 식생 지도 제작 등 광범위한 시장에서 중요한 장비입니다.
시장 조사업체인 Strategy Analytics는 X-대역 레이더 부문이 2018년 63억 달러에서 2028년에 87억 달러로 성장할 것으로 추산합니다.2
1GaN-on-SiC: 기판 과제(https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-on-sic-the-substrate-challenge/)
2Strategy Analytics, 방공 레이더 시장 및 기술 전망: 2018–2028