מאת ג’ ב’ שילי, מ’ לפברה, ב’, אנדרסון, ד’ רומטון, מ’ ג’ פולטון, ג’ מרטין. RFMD (חלק ראשון. החלק השני יפורסם בגיליון הבא.)
המצב שהיה קודם לתהליך
הטרנזיסטורים מסוג אלומיניום–גאליום–ניטריד (AlGaN) והטרנזיסטורים מסוג גאליום–ניטריד (GaN), בעלי ניידות אלקטרונים גבוהה (HEMT), התגלו כבעלי פוטנציאל גדול ליישומי ת”ר (RF& MW) וליישומי גלי מיקרו בהספק גבוה. בעזרת מתח הפריצה הגבוה של מערכת חומרי ניטריד בקבוצה שלוש (III–N) בשילוב עם טכנולוגיות לוחית שדה (field plate) ואידוש
(passivation) ביחד, ניתן היה להגיע ליצירת צפיפויות מרשימות ביותר של הספק, עד תחום X.
צפיפות הספק גבוהה מאפשרת להשיג קיבולים פרזיטיים נמוכים ומאפשרת ליצור רמה חדשה של מגברי הספק עם פס רחב. מגברי הספק הפועלים בדקדה של רוחב פס או יותר ומכסים את פסי התדירות HF, UHF ו–L, שימושיים לתקשורת הצבאית של הדור הבא. למערכי שידור בהספק גבוה יותר (8 עד 500 וואט) קיימים התקני GaAs וסיליקון עם רוחב פס גבוה. להתקני הספק גבוה בטכנולוגיות מתחרות יש צורך בתיאום מוצא מורכב שנכנס לתהודה עם קיבולי מוצא פרזיטיים. תיאום כזה אינו נדרש להתקני GaN למתח גבוה, ולכן הם נמצאו מתאימים יותר לטכניקות בנצילות גבוהה עם שינויים דינמיים בעומס או בתנאי מתח הסיומת. ההתקן הבסיסי עומד בשינויים אלו, ובמקביל מצליח לשמור על הביצועים ועל רוחב הפס השמיש. למעשה, הנתיב הקצר ביותר האפשרי בין שבב המגבר לנקודת החיבור במארז, הוא המותאם ביותר ליישומים בהספק גבוה.
איור 1. חתך רוחב מפושט בטרנזיסטור HFET להספק בטכנולוגיית GaN-on-Sic.
איור 1 מציג חתך רוחב מפושט בטרנזיסטור HFET להספק בטכנולוגייתGaN-on-Sic . בחלק העליון של האיור ניתן הבחין בעובי של כיפוי GaN, במחסום AlGaN ובתכולת האלומיניום, שהם למעשה המשתנים ששימשו להבנת מרחב התכנון והשפיעו על ביצועי התהליך.
אופטימיזציה של טכנולוגיית התקני GaN
התהליך הבסיסי של טרנזיסטורי HEMT בטכנולוגיית GaN משלב התקנים בעלי רוחב שער של 0.5 מיקרו–מטר עם לוחית שדה מתקדמת מחוברת ל-source, והוא מגיע למתחי פריצה של יותר מ–200 וולט. באיור 1 שמופיע לעיל, הוצג חתך רוחב בטרנזיסטור HEMT בטכנולוגיית GaN. קרביד הסיליקון (SiC) הוא המצע המועדף בזכות המוליכות התרמית המצוינת שלו ובגלל התאימות שלו לצפיפות הספק גבוהה. מתח החסימה (pinch off) של התקן הבסיס הוא בערך –5 וולט וצפיפות זרם השיא שלו היא 900 מילי–אמפר למ”מ (עיין באיור 2 להלן).
תדירויות הקיטעון של הגבר ההספק והזרם אשר נמדדו בהתקני שוליים של 2.2 מ”מ, בזרם של 44 מילי–אמפר, הם 16 ו–12 ג’יגה–הרץ בהתאמה במתח drain (מפק) של 28 וולט ו–17 ו–11 ג’יגה–הרץ במתח drain של 48 וולט. בעת פעולה בגל רציף ב–2.14 ג’יגה–הרץ ובממתח Class–AB, הצליח התקן שוליים אופייני של 2.2 מ”מ להשיג ב–28 וולט הספק שיא במוצא של 12 וואט ו–60 אחוזים של נצילות ערך שיא מוסף (P.A.E.).
איור 2. זרם drain מרבי כפונקציה של עובי הכיפוי, עובי מחסום AlGaN ותכולת אלומיניום שבשכבת המחסום.
ב–48 וולט, התקן הבסיס הגיע להגבר ליניארי של 20 dB, 8 וואט למ”מ או 18 וואט ונצילות P.A.E. שיא של יותר מ–60 אחוזים כפי שמוצג בנתוני “הבסיס” באיורים 3, 4, ו–5. העכבות (אימפדאנס) השקולות הטוריות האופטימליות בתנאים אלו הן (22.4+j25.6) אוהם
ו–(31.4+j46.1) אוהם, בהתאמה.
כדי לבצע אופטימיזציה של השכבה האפיטקסית הוגדרו ניסויים עם משתנים שונים, בהם נכללים עובי כיפוי GaN בתחום 12–25 אנגסטרם, עובי AlGaN בתחום 150–250 אנגסטרם ותכולת אלומיניום של 15 אחוזים–25 אחוזים במחסום. מטרת הניסויים הייתה להבין את מרחב התכנון ואת משתני הביצועים. חלק מהתוצאות שהתקבלו בניסויים אלו ניתן לראות באיורים 2, 3 ו–4. איור 2 לעיל מראה זרם drain מרבי כפונקציה של עובי הכיפוי, עובי מחסום AlGaN ותכולת אלומיניום שמופיעים בשכבת המחסום. ניתן לראות שזרם ה–drain המרבי גדל בהתאמה, עם הגידול בעובי AlGaN ובתכולת האלומיניום. באיור 3 אנו רואים הגבר הספק ליניארי ב–48 וולט כפונקציה של עובי כיפוי GaN, של עובי מחסום AlGaN ושל תכולת אלומיניום בשכבת המחסום. הגבר ליניארי של 20 dB הושג במבנה הבסיס. איור 4 שלהלן מציג את צפיפות הספק השיא במוצא ב–48 וולט ו–2.1 ג’יגה–הרץ כפונקציה של עובי כיפוי GaN, של עובי מחסום AlGaN ושל תכולת אלומיניום בשכבת המחסום.
איור 3. הגבר הספק ליניארי ב–48 וולט כפונקציה של עובי כיפוי GaN, עובי מחסום AlGaN ותכולת אלומיניום בשכבת המחסום.
איור 4. צפיפות הספק שיא במוצא ב–48 וולט ו–2.1 ג’יגה–הרץ כפונקציה של עובי כיפוי GaN, עובי מחסום AlGaN ותכולת אלומיניום בשכבת המחסום.
הניסויים אישרו את ההשערה שניתן למצוא מתאם בין הספק המוצא לבין הזרם המרבי של ההתקן. צפיפות הספק גבוהה של יותר מ–7 וואט למ”מ נמצאה בהתקנים שבהם מחסום של 150 אנגסטרם עם 25 אחוזים של אלומיניום במחסום. מכאן הוסק שיש מתאם גבוה בין צפיפות ההספק לבין לתכולת אלומיניום במחסום והוא נובע מהאפקט הפייזו–אלקטרי החזק של חומרים אלו.
בכל הניסויים שבהם תכולת אלומיניום בשכבת מחסום הייתה גבוהה מ–20 אחוזים נמצאה נצילות P.A.E. שהייתה גדולה מ–55 אחוזים. עם זאת, נצילות P.A.E. גבוהה אף יותר, ב–60 אחוזים ויותר, נמצאה בתכולת אלומיניום של 25 אחוזים ועובי מחסום של 188 אנגסטרם או יותר. באיור 5 ניתן לראות נצילות P.A.E. שיא ב– אחוזים ב–48 וולט, כפונקציה של עובי כיפוי GaN, של עובי מחסום AiGaN ושל תכולת אלומיניום בשכבת המחסום. קיים מתאם בין תכולת אלומיניום גבוהה לבין נצילות P.A.E. שיא גבוהה.
איור 5. נצילות P.A.E. שיא ב– אחוזים ב–48 וולט כפונקציה של עובי כיפוי GaN, עובי מחסום AiGaN ותכולת אלומיניום בשכבת המחסום.
ליישומים קוויים (אשר אינם אלחוטיים) כמו למשל מגברי קו של טלוויזיה בכבלים, צפיפות ההספק הגבוהה אינה המניע העיקרי בתהליך האופטימיזציה. רעש CIN, שהוא גורם ליניאריות חשוב במעגלי הספק של טלוויזיה בכבלים, נמצא במתאם עם קיבול השער ל–drain של טרנזיסטור FET המשמש בדרגת היציאה. איור 6 מציג את קיבול השער ל–drain כפונקציה של המתח בין ה–source ל–drain ותכולת האלומיניום בשכבת המחסום. גורם הליניאריות במכפלי הספק היברידיים לטלוויזיה בכבלים נמצא במתאם גבוה לקיבול השער ל–drain (Cgd). כפי שניתן לראות באיור 6, אפשר להשתמש בשינויי תכולת האלומיניום בשכבת מחסום AlGaN כדי להתאים את קיבול השער ל–drain ואת ההתנהגות הלא ליניארית כפונקציה של המתח בין ה–source ל–drain. קיבול מוקטן והתנהגות משופרת בממתח מתאימים לביצועי CIN משופרים ולכן תכולת אלומיניום נמוכה עדיפה למגברי טלוויזיה בכבלים לביצועים גבוהים.
איור 6. קיבול השער ל–drain כפונקציה של המתח בין ה–source ל–drain ותכולה האלומיניום בשכבת המחסום.
מגברים להספק גבוה
טכנולוגיית GaN מציעה כמה מאפיינים פנימיים המאפשרים ביצוע אופטימיזציה עבור יישומים לא יציבים, שבהם התקנים מסוג גאליום–ארסנייד וסיליקון לא נחשבו למצטיינים בפעולתם. תהליך הבסיס שימש לפיתוח של משפחת מגברי הספק בעלי ביצועים גבוהים ליישומים רחבי פס בנצילות גבוהה. במשפחה זו נכללים מגברי מודולים מרובי שבבים PowerIC ומגברים של טרנזיסטורי הספק מתואמים עבור השוק הצבאי ועבור מגברי Doherty בעלי פס רחב ומגברי מעקב מעטפת (ET) שמיועדים למערכות התקשורת המסחריות של הדור הבא.
א. מגברי הספק במודולים מרובי שבבים
מכשירי הרדיו של הדור הבא יפעלו בהגדרת תוכנה עם ריבוי פסי תדירות וכמה תקני פעולה. להתקנים הגדולים המסוגלים לספק את הספק המוצא הגבוה הנדרש יש קיבול כניסה גדול- , עובדה שגורמת להגבלה של רוחב הפס שלהם. מתח הפריצה הגבוה וצפיפות ההספק הגדולה של טרנזיסטורי HEMT בטכנולוגיית GaN מאפשרים תכנונים של מגברים קטנים עם קיבול קטן יותר בכניסה ועומס גבוה יותר במוצא מאשר ניתן למצוא בטכנולוגיות האחרות. תכונות אלו הופכות אותם למתאימים במיוחד ליישומים של מגברי הספק רחבי פס בנצילות גבוהה. באיור 7 אנו רואים הגבר אות קטן והגבר הספק של מגבר HEMT בטכנולוגיית GaN רחב פס ל–8 וואט, 2.4 ג’יגה–הרץ. איור 8 מציג את הספק המוצא של P3dB ואת נצילות drain כפי שנמדדו עבור מגבר מעגל משולב HEMT בטכנולוגיית GaN בטווח 0.1–2.5 ג’יגה–הרץ.
איור 7. הגבר אות קטן והגבר הספק של מגבר HEMT בטכנולוגיית GaN רחב פס ל–8 וואט, 2.4 ג’יגה–הרץ.
איור 8. הספק מוצא P3dB ונצילות drain מדודים של מגבר מעגל משולב HEMT בטכנולוגיית GaN בטווח 0.1–2.5 ג’יגה–הרץ.
למימוש מגברי הספק רחבי פס עם טרנזיסטורי HEMT בטכנולוגיית GaN, שימשו כמה גישות, החל בטרנזיסטורים שאינם מתואמים עם תיאום ברמת המעגל המודפס, ועד למגברי הספק במעגלי MMIC. גישה של מודול מרובה שבבים משמשת בהתבסס על שבב GaN על SiC נתון במארז עם מעגלים פסיביים משולבים (IPC) בטכנולוגיית GaAs. השבבים הפסיביים כוללים את רכיבי התיאום, הייצוב וביטול צימוד הממתח, כאשר מנגד התקן GaN מוגבל בעיקר לתחום האזור האקטיבי. גישה זו מאפשרת הצבה של הרכיבים הפסיביים הגדולים באופן יחסי בשבבי GaAs הזולים יותר, תוך כדי שמירה על אזור מצע SiC עבור האזור האקטיבי עם חשיבות תרמית. כמו כן, גישה זו מאפשרת גם השגת רמות ביצועים גבוהים יותר מאשר אפשר היה להשיג עם התקנים שאינם מתואמים.
כמה תכנונים נוספים נעשו גם בעזרת שימוש בגישה זו עם אופטימיזציה לפסי תדירות המתפרשים מ–30 מגה–הרץ ועד 2.5 ג’יגה–הרץ, עם פסי רוחב מידיים של 0.5 עד 2.4 ג’יגה–הרץ ועם כמה טווחי הספק מ–8 עד 35 וואט. אחת הדוגמאות, (שאותה ניתן לראות באיור 7 ובאיור 8) מגיעה לרוחב פס של 2.4 ג’יגה–הרץ, הספק מוצא של 8–9 וואט, ונצילות drain של יותר מ–50 אחוזים על פני רוחב הסרט. אפשר ליצור תכנונים עם ביצוע אופטימיזציה לרוחב פס מיידי צר יותר שיכולים להשיג רמות נצילות גבוהות אף יותר.
בחלק הבא נוסיף ונפרט בנושא מגברים לפס התדירות L עם טרנזיסטורים מתואמים, מגברי הספק Doherty רחבי פס, עקיבת מעטפת ומגברים היברידיים ליניאריים לטלוויזיה בכבלים.
הכותבים הם מחברת RFMD המיוצגת בארץ בבלעדיות ע”י חברת STG
