Galliumnitrid ist die allgemein akzeptierte Technologie für hocheffiziente Betriebsabläufe in Anwendungen mit hohen Frequenzen, etwa für solche im X-Band (8–12 GHz).
Dazu kann GaN auf SiC-Geräten aufgrund der unschlagbaren Wärmeleitfähigkeit der Materialien sowie der Gitterstruktur dazwischen die benötigte Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen und die Leistungsdichte erzielen, die für solche Anwendungen benötigt wird.1
Die Geräteauswahlmöglichkeiten für X-Band-Anwendungen enden aber nicht mit der Wahl der Materialtechnologie – die Transformation der Eigenschaften des Materials in hochleistungsfähige GaN-auf-SiC-Geräte ist nochmal eine ganz andere Sache.
Für Anwendungskonstrukteure im X-Band bieten die Gussservices von Wolfspeed, dem Hersteller und Anbieter vertikal integrierter GaN-auf-SiC-Geräte nicht nur mehr als 30 Jahre Erfahrung mit Materialen und Entwicklungsprojekten mit großer Bandlücke, sondern auch eine große Erfolgsgeschichte beim Entwurf von Geräten.
Prozesse sind die Geheimzutat
Wolfspeed verfügt in seinem Portfolio über verschiedene Prozesse, die jeweils dafür entwickelt wurden, ganz besondere Anwendungsanforderungen zu erfüllen (Abbildung 1). So ist G28V5 beispielsweise ein hochleistungsfähiger 28-V-Prozess, der sowohl bei Hochfrequenzanwendungen als auch beim Betrieb mit niedrigeren Frequenzen höchsten Effizienz- oder Bandbreitenanforderungen gerecht wird.
Die Auswirkungen der Gate-Abmessungen auf Verstärkung, Frequenz und Durchbruchspannung sind gut bekannt. Ein sehr wichtiger Parameter ist die Gate-Länge, die den Gate-Widerstand und die Gate-Drain-Kapazität beeinflusst. Allgemein gilt, dass ein kürzeres Gate die Kapazität verringert, was den Betrieb mit höheren Frequenzen ermöglicht; entsprechend wird durch ein längeres Gate die Kapazität erhöht. Die Gate-Länge ist daher umgekehrt proportional zur maximalen Frequenz (FMAX) und zur Grenzfrequenz für den Verstärkungsfaktor Eins (FT) eines GaN-HEMT.
Wolfspeed hat verschiedene Prozesseigenschaften (vgl. Abbildung 1) mit sorgfältig ausbalancierter Abstimmung zwischen maximaler Frequenz, Durchbruchspannung, Gate-Länge und anderen Parametern geschaffen.
Die Prozessauswahl ist daher ein wichtiger Schritt der Gerätekonstruktion für die Fertigung von GaN-auf-SiC-Teilen.
Auswahl des Prozesses
Beim Entwurf von GaN-auf-SiC-MMICs für das X-Band müssen vorab einige Auswahlentscheidungen getroffen werden, darunter die für die richtige Prozesstechnologie. Der neueste GaN-auf-SiC-Prozess von Wolfspeed, G28V5, berücksichtigt die Anforderungen des Betriebs über das X-Band hinaus bis 40 GHz. Ein zentraler Faktor, der dies ermöglichte, war die Reduzierung der Gate-Länge auf 0,15 μm.
Dazu gehören zwei goldene RF-Verbindungsebenen, zwei Arten von Kondensatoren, Dünnfilm- und Bulk-GaN-Widerstände sowie dielektrisch unterstützte Brücken für Verbindungen zu Schaltkreiselementen wie Kondensatoren oder Induktoren. Das SiC-Substrat ist nur 75 μm dick und bietet eine der geringsten verfügbaren Substratgrößen in einem GaN-auf-SiC-MMIC-Prozess. Dies ermöglicht den sehr geringen FET-Platzbedarf für X-Band-Anwendungen.
G28V5 bietet:
- • 0,15 μm Gate-Länge
- • Schwellenspannung (VP) ~–2 V
- • 28-V-Bias mit > 84-V-Durchbruch
- • FMAX >120 GHz
- • 12 dB Verstärkung bei 30 GHz
- • 3,75 W/mm Leistungsdichte bei 30 GHz
- • Versorgungsspannungsaddierte Effizienz (Power-added efficiency, PAE) > 40 % bei 30 GHz
- • Metall 1 = 3 μm; Metall 2 = 3 μm
- • Standard-Dichtekapazität Metall-Isolator-Metall 180 pF/mm2
- • High-Density-Kapazität 305 pF/mm2
- • Dünnfilmwiderstand 12 Ω/sq
- • GaN-Widerstände 66 Ω/sq und 410 Ω/sq
Dieser Prozess bietet einen Mean-Time-to-Failure-Wert (Mittlere Zeit zwischen Fehlern) von mehr als einer Million Stunden bei 225 °C und ist vollständig qualifiziert.
Weitere Überlegungen für MMICs
Weitere Überlegungen für die Konstruktion sind etwa Transistor-Größe und ‑Bias, die Anzahl der Transistoren zur Erfüllung der Ausgabeleistungsanforderungen, Überlegungen zur Zuordnung sowie Load-Pull-Simulationen.
Load-Pull-Simulationen sind für den Prozess auch erforderlich, um zu verstehen, wie der PAE-Wert bei Zielfrequenz über eine Reihe verschiedener Lastimpedanzwerte hinweg variiert (Abbildung 2). Wolfspeed verwendet diese Messwerte und beschreibt Geräte mit physikalischen Gleichungen. Die daraus resultierenden Gerätemodelle sind so präzise gestaltet, dass sie auf Anhieb korrekte Konstruktionen ermöglichen.
Abbildung 2: Gemessene G28V5-Leistungsdaten
PA für X-Band
Auf der Grundlage dieser Überlegungen hat Wolfspeed den CMPA801B030S entwickelt, einen paketierten 40-W-PA für den Anwendungsbereich von 7,9 bis 11,0 GHz. Dieser gehört zur CMPA801B030-Serie von MMICs mit Spitzenausgabeleistungen von 30 W bis 40 W und Verstärkungen von 16 dB bis 28 dB.
Der MMIC CMPA801B030S nutzt zwei Verstärkungsstufen für eine Signalverstärkung von 20 dB (Abbildung 3). Die Effizienz von 40 % unterstützt geringere DC-System-Leistungsanforderungen und zusammen mit einer Sperrschichttemperatur (Tj) von 225 °C vereinfacht der MMIC das Kühlungssubsystem.
Dazu kommt, dass das Teil in einem kunststoffumspritzten QFN-Gehäuse (7 x 7 mm) geliefert wird, um Anforderungen an geringen Platzbedarf und hohe Fertigungsdurchsätze zu erfüllen.
Prozess zum Gerät und zum Referenzdesign
X-Band-Anwendungen, wie etwa Phased-Array-Radar, einschließlich aktiver elektronisch gescannter Array-Radargeräte und solcher mit synthetischer Apertur, sind wichtige Gerätschaften für eine breite Palette von Märkten. Dazu gehören etwa die Luftfahrtüberwachung und die Waffenzielansprache im militärischen Bereich, die kommerzielle Luftfahrt und Seenavigation, die Luft- und Seeverkehrssteuerung, Brandschutzsysteme, die Wetterbeobachtung und sogar die urbane Überwachung mit hoher Auflösung oder die Vegetationszuordnung.
Das Marktforschungsunternehmen Strategy Analytics schätzt, dass allein das Volumen des X-Band-Radar-Segments von 6,3 Mrd. USD in 2018 auf mehr als 8,7 Mrd. USD in 2028 zunehmen wird.2
1GaN-auf-SiC: Die Substrat-Herausforderung (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-on-sic-the-substrate-challenge/)
2Strategy Analytics, Defense Radar Market and Technology Forecast: 2018–2028