Результаты разработок мощных нитрид-галлиевых транзисторов сантиметрового диапазона волн

В виду жестких ограничений по габаритам, накладываемых на поперечное сечение приемо-передающего модуля (ППМ) АФАР сантиметрового диапазона, практически нет возможности наращивания выходной мощности ППМ за счет увеличения ширины затвора мощного выходного транзистора или за счет суммирования в выходном каскаде усилителя мощности нескольких транзисторов. В этих условиях единственно возможный путь – увеличение плотности выходной мощности на единицу ширины затвора транзистора. Ниже приводятся опубликованные данные о достигнутой плотности выходной мощности на 1 мм ширины затвора и о полной величине выходной мощности GaN транзисторов.

Публикации по разработкам мощных GaN транзисторов появились в 1999 –2000 годах

В [1] опубликованы данные о получении плотности выходной СВЧ мощности транзистора до 6,5 Вт/мм.

В [2] рассматривается HEMT транзистор на гетеропереходе AlGaN/AlN/GaN. В отличие от обычных HEMT транзисторов в структуру вводится очень тонкий ( 1нм  Рис. 1.9) промежуточный AlN слой. для улучшения электрических свойств перехода AlGaN/GaN.

25 Нм Al0.3Ga0.7n 1 нм AlN Полу-изолятор GaN SiC подложка Рис. 1.9.

На окончательном этапе изготовления транзистора проводилась пассивация слоем Si₃N₄ толщиной 100 нм.

На Рис. 1.10 приведены результаты измерений СВЧ характеристик HEMT транзистора на частоте 8 ГГц в непрерывном режиме. (ширина затвора 0,15 мм, длина 0,7 мкм, расстояние затвор-сток 2 мкм).

Транзистор работал в классе АВ при напряжении сток-исток V_DS = 45 В и токе I_DS = 160 мА/мм в режиме настройки на максимальную мощность. Была получена плотность выходной мощности 8,47 Вт/мм. Коэффициент усиления и КПД составили соответственно 7,5 дБ и 28%.

В ИПТМ РАН разработана технология СВЧ транзисторов на основе широкозонных эпитаксиальных структур, изготовлены и испытаны первые экспериментальные образцы транзисторов на структурах AlGaN/GaN.

Схематично структура транзистора изображена на рисунке 1.11 .

Рис. 1.11. Структура GaN транзистора.

Для изготовления транзисторов использовались эпитаксиальные структуры, выращенные методом MOCVD. На подложке из сапфира (2 дюйма) растился буфер GaN (1 мкм), который заканчивался 20 нм слоем широкозонного материала Al_0.3Ga_0.7N.

Изготовленные образцы транзисторов на частоте 10 ГГц имели характеристики: Р_вых = 100 мВт (плотность мощности 5 Вт/мм), К_у = 11 дБ, КПД = 40%, напряжение на стоке V_ds = 40 В.

Н а рисунке 1.12 приведены вольтамперные характеристики одного из транзисторов до и после пассивации.

Рис.1.12. Вольт-амперная характеристика GaN/AlGaN транзистора (до и после пассивации) с затвором 2500.3 m². Максимум V_g =+4 В, шаг 1 В.

Результаты показывают, что пассивация транзисторов нитридом кремния (с применением СВЧ-плазменного стимулирования в условиях электронного циклотронного резонанса) позволяет увеличить ток насыщения, крутизну и пробивные напряжения транзисторов.