טכנולוגיית התקני גליום ניטריד לת”ר ויישומיה – הווה ועתיד

Yan Vainter & Adi Shieber, Freescale Semiconductor

במהלך העשור האחרון, טכנולוגיית גליום ניטריד (GaN) הפכה לזרם המרכזי בתחום ת”ר (RF) עם פוטנציאל לביצועים של טכנולוגיה מהפכנית. במאמר זה נציג את טכנולוגיית GaN בהקשר ליישומי תקשורת מסחריים בת”ר וליישומים עתידיים. נתאר ביצועי התקנים מהשורה הראשונה שנתונים במארזים ופועלים ב-2.14 בעלי הספק גדול

מ-200 ונצילות גבוהה מ-75%. הם פועלים בטכנולוגיית 0.6 ב-48 ומיישמים את טכנולוגיית ההתקנים במגברי Doherty להספק בעלי עקבת מעגל זעירה ביותר, עם הספק של 400. בנוסף נתאר את התרחבותה של טכנולוגיית 0.6 לאורך שער של 0.2, המאפשרת תדירות fT גבוהה יותר שתעניק למגברים ממותגים (switch mode) בעלי נצילות גבוהה את יכולת השימוש בטכנולוגיה עתידית.

הקדמה
טכנולוגיית התקני GaN מספקת ביצועים משופרים למערכות מגברי הספק שפועלות – בהווה ובעתיד – בת”ר. העוצמה הגבוהה של שדה הפריצה של GaN, הצפיפות של יריעת האלקטרונים (Electron sheet), ומהירות האלקטרונים מאפשרים קבלת ביצועים משופרים במערכות עכשוויות, ושיפור עצום בביצועים של מערכות עתידיות. ראה איור 1. בעזרת התכונות האלקטרוניות האלו, התקני GaN יכולים לפעול במתחי סף (bias) ובצפיפויות זרם גבוהים יותר מאלו המתקבלים בהתקני גליום ארסן (GaAs) או סיליקון. באיור 1 ניתן לראות את הדרך שבה צפיפות הספק גבוהה יותר מתורגמת לגודל קטן יותר של התקן, שנדרש עבור הספק מוצא נתון, ולהספק גבוה יותר ביחידות ואט שמתקבל עבור כל יחידת קיבול בכניסה וביציאה. התקנים משופרים מאפשרים שיפור במערכות הזרם בצד יצירת ארכיטקטורות חדשות עם ביצועים טובים יותר. מוליכות החום הגבוהה של מצע (substrate) סיליקון קרביד בשילוב עם צפיפות ההספק הגבוהה של החומר בערוץ GaN, מאפשרת את יכולת העברת ההספק הגבוה.
היתרונות החשמליים והתרמיים שיש
ל-GaN על סיליקון קרביד, מאפשרים יצירת טרנזיסטורים להספק גבוה בעלי רוחב פס רחב, שמימושם עם גליום ארסן או סיליקון קשה יותר. התקנים משופרים אלו, לא רק שהם מעניקים למערכות של היום יתרונות בביצועים ובגודל, שאינם אפשריים בשימוש בגליום ארסן או סיליקון, הם גם מאפשרים יצירת ארכיטקטורות חדשות שיפעילו את המערכות של המחר.
במאמר זה נתאר בפרטים את טכנולוגיית התקני GaN ואת יישומה, תוך כדי התמקדות בטכנולוגיית 0.6 שפותחה היטב עבור יישומי Class A ו-Class B של היום, ולאחר מכן, נתאר טכנולוגיה שמיועדת לשימוש בתדר גבוה שאנו מפתחים עבור יישומים עתידיים של מגברים בעלי נצילות גבוהה. ראשית נתאר את הייצור והאפיון במתח ישר ובאותות קטנים של התקני 0.6, ולאחר מכן, נתאר את ביצועי המארז ומשיכת העומס (loadpull) ואת האופיינים הטרמיים. לאחר מכן נתאר מגבר Doherty ל-400 שמימשנו בטכנולוגיה זו. לבסוף, נתאר את התכונות במתח ישר ובאותות קטנים של טכנולוגיית ההתקנים לתדר גבוה שנמצאת כיום בפיתוח.

נקודת ההתחלה של טכנולוגיית התקני GaN
נתחיל בדיון בנושא טכנולוגיית GaN
ב-0.6 ובתיאור התנהגותה במתח ישר ובאותות דופק (pulsed) ופירוט אופייני האותות הקטנים שלה.
א. ייצור ההתקן
איור 2 מציג חתך רוחב בהתקן
ל-48 בטכנולוגיית 0.6. הפרוסות האפיטקסיאליות גודלו על מצעי סיליקון קרביד באמצעות ריבוץ (deposition) כימי של אדי מתכת אורגנית.
הטכנולוגיה כוללת את בידוד ההתקן, מגעים אוהמיים מבוססי סגסוגת טיטניום אלומיניום, פסיבציה מבוססת סיליקון ניטריד, לוחית שדה המחוברת לחיבור מקור וגשרי אוויר (airbridge) מצופי זהב. ההתנגדויות האוהמיות במגעים הם בדרך כלל 0.3-0.2. אחרי עיבוד צד החזית, עובי הפרוסות הוקטן לעובי של 3 ומעברי חיבור מקור נוצרו באיכול (etching) דרך מצע הסיליקון קרביד ודרך שכבת החוצץ מ-GaN. בנוסף, ריבוץ של שכבת זהב בעובי 20 בוצע בחלק האחורי של הפרוסות. איור 3 מציג תמונה של שבב בגודל 37.8mm אחרי גימור.

ב. אפיון במתח ישר ובמתח וזרם באותות דופק
כפי שאפשר לראות באיור 4, זרם ישר וזרם באותות דופק מציגים הרמוניה מצוינת; מצב זה מרמז על מיעוט משמעותי של תופעות לכידה (trapping effect). זרם חיבור drain המרבי האופייני הוא
700-800. איור 5 מראה שמתח הפריצה במצב סגור (off-state) גבוה
מ-200 עבור התקן של 0.15; התקני 200 עם שוליים (periphery) של
37.8 דורגו למתח פריצה של 150~, בגלל פגמים בחומר.

ג. אפיון במתח ישר ובמתח וזרם באותות דופק
איור 6 מציג את אופייני הקיבול של התקן טרנזיסטור HFET מסוג GaN. הנתונים מראים קיבול של 2.3 בין חיבור gate לחיבור source, קיבול של
pF/mm בין חיבור gate לחיבור drain, וקיבול של pF/mm~, בין חיבור drain בממתח drain של 48 ובזרם drain של mA/mm (ממתח ב-class A-B).

תוצאות ההתקן בת”ר ותוצאות תרמיות בת”ר
לאחר ייצור השבבים ומיונם, הצבנו שבב בגודל 37.8 במארזי NI-780 בתקן תעשייתי עם מעגלי תיאום כניסות שתוכננו בהתבסס על פרמטרי S ונתוני משיכת עומס שהתקבלו מהתקני תא יחיד. מעגלי התיאום נוצרו בעזרת שימוש בהשראות הטורית של חוטי חיבור (bondwire) ובקיבול מקבילי של כיפות MOS, כדי להמיר את העכבה Zin בכניסה של השבב לערך גדול יותר מ-3 עבור התקן של
200.

א. אפיוני ת”ר
ביצענו אפיון של ההתקנים שבאיור 7 (a) בתדר של 2.14, באמצעות מערכת משיכת עומס המוגדרת לעירור באותות דופק בת”ר. אורך אות הדופק היה 10 עבור בדיקות אלו ומחזור העבודה היה 10%.
איור 9 מציג את ביצועי ההתקן בפעולה
ב-class A-B ובפעולה ב-class C.
חיברנו את ההתקנים שבאיור 7 (a) בממתח של 48 בחיבור drain ובזרם quiescent
ב-class A-B של 25. בנקודה הם הפיקו הספק מוצא של יותר מ-200 ונצילות drain של 75% בערך עם הגבר של 17dB. איור 8 מתאר את הנתונים שנמדדו. בחיבור ב-class C, ההתקנים הופעלו בממתח של -3.5V, כ-0.5 מתחת למתח החסימה (pinch-off). בנקודה זו היה להם הגבר מופחת במיוחד ברמות נמוכות של דחיפה, אך הנצילות שלהם בנקודת גדלה ל-78% כפי שאפשר לראות באיור 9.

ב. ביצועים תרמיים
הניהול התרמי של התקני הספק לת”ר ממלא תפקיד חשוב ביותר בקביעת העלות והאמינות של מערכת לת”ר. איור 10 מציג תמונה תרמית של ההתקן ל-200 שמופיע באיור 7 כשהוא פועל בתנאי פיזור הספק של 80. התוצאות הראו טמפרטורת ערוץ מרבית של כ-ºC. תוצאה זו מתאימה להתנגדות תרמית של כ-/ºC.

יישומים עכשוויים: אופיינים של מגבר Doherty קומפקטי להספק של 400 שפועל ב-2.6–2.7
הצבנו במארז את הגרסה בעלת הנתיב הכפול של ההתקן המוצג באיור 7 וקבענו את האופיינים שלה באמצעות מתודולוגיות הטכנולוגיה והמארז שתוארו עד עתה. במקרה זה, שני התקנים ומעגלי תיאום שימשו במארז. איור 11 מציג תמונה של התקן כזה עם תוצאות ההספק, בתלות בתדירות עבור התקנים אלו בנקודה P3dB. הספק המוצא כאן בנקודה P3dB היה 300 ב-2.1 ו-280
ב-2.7. נצילות חיבור drain נמדדה עד לערך של 67% ב-2.1, ואז התיישרה לערך של 63% ועלתה שוב לשיא של-69% ב-2.7. התלות של הנצילות בתדירות נובעת מהשינוי בעומס של ההרמוניות בתלות בתדירות.
בעזרת ההתקן בעל הנתיב הכפול המתואר באיור 9 מימשנו מגבר Doherty
ל-2.6-2.7. איור 12 מראה צילום של המגבר השלם. בתכנון המגבר נעשה שימוש בהתקן בעל הנתיב הכפול ובמערך קומפקטי ביותר עם שטח יעיל של 52 סמ”ר (8 אינץ’ רבוע). בתכנון זה, מגבר class A-B הראשי מתחבר ישירות לצומת הסיכום בעוד קו התמסורת לרבע גל מחבר את מגבר class C הראשי לצומת הסיכום ולמהפך עכבה.
איור 13 מראה את תוצאות המדידה של ביצועי האותות הקטנים של המגבר השלם עם שטיחות של 0.43dB על פני רוחב פס של 2.6-2.7 בהגבר אותות קטנים של 16dB. הביצועים שנמדדו ב-2.69 בהספק ממוצע של
80 הראו נצילות חיבור drain של כ-45% עם יחס שיא לממוצע (PAR) של 7dB כפי שמוצג באיור 14. ההגבר בנקודה זו היה 14dB. איור 15 (a) מראה שכאשר ACP יורד מערך של -28dBc לערך של -55dBc, נדרש תיקון של 27dB בעת בדיקה עם עיוות מקדמי ספרתי (DPD) ובאותו אות 2-WCDMA בתנאים של 80 שהיו באיור 14. איור 15 (b) מציג כמות דומה של תיקון בשימוש באות LTE ובאותם תנאים של ממתח, תדירות והספק.
טבלה 2 משווה את הביצועים של המגבר מאיור 11 עם תוצאות אחרות שדווחו. כפי שאפשר לראות בטבלה, למגבר Doherty יש הגבר ונצילות דומים בהשוואה למגברים אחרים ברמת ההספק 400. ראוי לציון שהביצועים של Si-LDMOS דומים אף הם, על אף שבמקרה זה נדרשו שלושה התקנים דיסקרטיים ושטח מעגל גדול בערך פי שלושה. אם מערך הנחת הרכיבים במעגל LDMOS היה מותאם באופטימיזציה, עדיין היה פי שניים בערך גדול יותר.

טכנולוגיה לתדירות גבוהה לשימוש ביישומים עתידיים
יישומי GaN עתידיים כוללים מגברים בעלי נצילות גבוהה. מגברים בעלי נצילות גבוהה כדוגמת מגברי הספק ממותגים
(switch mode) יכולים להגיע לנצילות חיבור drain של 100%, על אף שהנצילות שלהם מוגבלת על ידי ההתנגדות במצב פתוח, שהיא סופית, ועל ידי מהירות המיתוג של הטרנזיסטור. מאחר שהנצילות של דרגת המוצא מוגבלת על ידי מהירות המיתוג של הטרנזיסטור, יש דרישה להתקנים בעלי תדירות fT גבוהה. חלק זה מתאר התקנים בעלי אורך חיבור gate של 0.2 מיקרו מטר שיכולים להגיע לתדירות fT גבוהה מ-50.

א. יצור ההתקן
כדי לממש התקנים בעלי תדירות fT גבוהה, בצענו תכנון מחדש של הטכנולוגיה המשמשת בהתקן שבאיור 2: הקטנו את אורך חיבור gate ל-0.2, הקטנו את עובי הפסיבציה הדיאלקטרית והסרנו את לוחית השדה המחוברת לחיבור source כפי שמתואר באיור 16.

ב. אפיון במתח ישר ובמתח וזרם באותות דופק
כפי שאפשר לראות באיור 17, הזרם המרבי עבור התקנים עם חיבור gate באורך 0.2 הוא 1 בערך. עקומות הזרם – מתח מראות תופעות מועטות של ערוץ קצר, שמקורן באורך הקצר של חיבור gate. ההצגה של זרמי IV אותות דופק בשכבות (overlay) מציגה תאימות סבירה בין הפעולה באותות דופק לבין הפעולה במתח ישר, בהינתן אורך חיבור gate הקצר. מתח הפריצה של ההתקנים הוא כ-50.

ג. אפיון באותות קטנים והשוואה להתקני µm
השלמנו את מדידות האותות הקטנים בהתקנים של 2 0.2×100 והשוונו אותן לנתוני האותות הקטנים שהתקבלו בהתקני 2 0.6×300 ונדונו בחלק הקודם. איור 18 מראה את הגודל של הגבר הזרם לאותות קטנים, h21 עבור התקן
2 0.2×100 בהשוואה להתקן
2 0.6×300. כפי שאפשר לראות באיור, תדירות fT עבור התקן 2 0.2×100 היא 55, בערך, לעומת התדירות של התקן
2 0.6×300 עומדת על כ-15 בממתח חיבור drain של 12. באיור 19 מוצגות עקומות הקיבול בתלות בממתח חיבור drain עבור התקנים אלו. בניגוד לתוצאות של הקיבול של התקני 0.6, המוצגות באיור 6 – כאשר הקיבול של חיבור gate היה יותר מ-pF/mm – התקני 0.2 הציגו קיבול חיבור gate קטן בהרבה,
כ-pF/mm. בנוסף, מאחר שבהתקנים האלו לא נעשה שימוש בלוחית שדה, הקיבול בין חיבור drain לחיבור source היה כ-pF/mm, בהשוואה לערך הקיבול תלוי-הממתח, שהיה בטווח שבין
pF/mm ל-pF/mm בהתקני
0.6. מצד שני, לטכנולוגיית התקני
0.6 יש מתח פריצה גבוה מ-200 בהשוואה למתח פריצה של כ-50 בהתקני 0.2µm. התוצאות מסוכמות בטבלה 2.

מסקנות
במאמר זה תיארנו את טכנולוגיית GaN, החל מטכנולוגיית 0.6 המבוססת היטב שמתאימה ליישומי ת”ר של class AB. אופייני ת”ר והאופיינים התרמיים של טכנולוגיה זו הציגו נצילות חיבור drain של יותר מ-75% ב-2.14 בהתקני 200. בהמשך, תיארנו מגבר Doherty להספק של 400. לבסוף, תיארנו טכנולוגיית gate בתת מיקרון עמוק, שאותה אנו מפתחים ליישומים עתידיים בעלי נצילות גבוהה. התקנים אלו הציגו תדירות fT גבוהה
מ-50, בזכות קיבול ההתקן הנמוך במידה רבה ובזכות תגובת התדר שלהם.