Выходная мощность, коэффициент усиления и кпд транзисторов (до и после пассивации) были измерены на частоте 10 гГц. Результаты измерений одного из образцов приведены на рисунках 1.13 и 1.14.
Выходная мощность Усиление
Р
ис.
1.13.
Рис. 1.14.
Демонстрируется резкое увеличение КПД после проведения пассивации структуры транзистора методом ЭЦР.
В [3] исследовался эффект зависимости тока в HEMT транзисторах AlGaN/GaN от толщины AlGaN перехода. В частности, измерения мощности проводились для AlGaN/GaN транзисторов 2х125х0,3 мкм на SiC подложке. На частоте 8 ГГц для транзистора с толщиной AlGaN перехода 10 нм была получена плотность выходной мощности 1,23 Вт/мм. Для аналогичного транзистора с толщиной AlGaN перехода 20 нм плотность выходной мощности составила 2,65 Вт/мм. Отмечено улучшение характеристик этих приборов на больших сигналах после пассивации.
Наилучшие характеристики получены на частоте 10 ГГц для транзистора с размерами 150 х 0,3 мкм при толщине AlGaN перехода 20 нм (Рис. 1.15).
45
-20
-10
0
10
20
30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
10,7 Вт/мм
РВХ
(дБм)
Рис. 1.15.
Транзистор испытывался в режиме высокого насыщения (класс В) при напряжении стока 45 В и напряжении на затворе –3,5 В.
Как отмечено на Рис. 1.15, достигнута плотность выходной мощности 10,7 Вт/мм при КПД 40%. Полная выходная мощность транзистора 2,5 Вт.
В [4] впервые описывается разработка монолитных интегральных схем мощных усилителей на основе AlGaN/GaN HEMT транзисторов, изготавливаемых на высокотемпературных SiC подложках. Усилители строились на базе каскодных (Рис. 1.16) ячеек в сочетании с внутренним согласованием цепей по потерям.
Pис. 1.16.
Упрощенно поперечное сечение монолитной интегральной схемы транзистора с использованием семи фото-шаблонов показано на Рис. 1.17.
Конденсатор
1 мкм GaN,
буфф. слой
20 нм Al0,3Gan0,7
бар. слой
SiC
подложка,
330 нм
Омический контакт
Ti/Al/Au
‘Электрлучевой
затвор 0,3 мкм
Кремниево-нитридная
пассивация и емкостной диэлектрик, 200
нм
Рис. 1.17.
Воздушный мост
(Au)
На базе двух каскодных ячеек (Рис. 1.16) с суммарной шириной затвора транзисторов 2 мм был создан монолитный широкополосный усилитель. На Рис. 1.18 представлены результаты измерений характеристик усилителя в режиме насыщения при входной СВЧ мощности 29 дБм и напряжении стока 25 В. В полосе (3 8) ГГц выходная мощность усилителя составила (5 7,5) Вт при КПД (20 33) %.
Эти результаты приводились также на XXVI европейской конференции по полупроводниковым приборам и интегральным схемам (Россия, Черноголовка, май 2002 г.) – [5].
Описанный HEMT транзистор AlGaN/GaN на SiC с шириной затвора 125 мкм, показал рекордные характеристики для частоты 10 ГГц на время публикации. Плотность мощности 6,9 Вт/мм (Рвых = 0,87 Вт) при полном КПД 52%, коэффициенте усиления 9 дБ при напряжении питания 30 В. Эти данные относятся к режиму оптимизации выходной мощности. При оптимизации режима работы транзистора по полному КПД до 60% плотность мощности уменьшалась до 3,7 Вт/мм.
HEMT транзистор с шириной затвора 1,5 мм (штыревая структура 12 х 125 m), измеренный в составе шайбы, имел коэффициент усиления 12 дБ, выходную мощность 3,9 Вт (2,6 Вт/мм), КПД 29%.
На рисунке 1.19 представлены характеристики 3 мм транзистора на частоте 7,4 ГГц. При входной мощности свыше 30 дБм (1 мВт) напряжение исток-сток увеличено с 28,4 В до 31 В. Получена выходная мощность 9,1 Вт (3,03 Вт/мм), КПД 29,6%, усиление 7,1 дБ.
Рис. 1.19
Широкополосный усилитель, работающий в полосе 311,5 ГГц [6], спроектирован на базе 2-х МИС, каждая из которых содержит два параллельных HEMT GaN транзистора с шириной затвора 1 мм. Схема усилителя приведена на рисунке 1.20. Транзисторы смонтированы методом перевернутого монтажа. Схема, имеющая размеры 12 х 8 мм2, выполнена на подложке из нитрида алюминия (AlN).
Рис. 1.20.
Результаты измерений характеристик усилителя в диапазоне частот 4,5 10 ГГц приведены на рисунке 1.21. На частоте 9,5 ГГц усилитель имел выходную мощность 8 Вт при КПД 20%. С учетом суммарной периферии затвора 4 мм плотность мощности составляет 2 Вт/мм. Напряжение исток-сток равнялось 24 В.
Рис. 1.21
В [7] опубликованы данные о мощности 10 Вт на GaN транзисторе с шириной затвора 1,5 мм с плотностью мощности 11,7 Вт на мм (на малых уровнях мощности).
В компании Cree (США) – [8] получены GaN HEMT транзисторы с рекордными показателями по плотности мощности и КПД: 32 В/мм, 55% на частоте 4 ГГц и 30 В/мм, 50% на частоте 8 ГГц. Такие параметры, по заявлению Cree , достигнуты благодаря прорывам в области GaN эпитаксии, техпроцессов изготовления приборов и схемотехники, позволяющим транзисторам работать при напряжении на стоке до 120 В. Компания продемонстрировала нитрид-галлиевую МИС на SiC подложке двухкаскадного усилителя с выходной мощностью 20 Вт, коэффициентом усиления 14 дБ и КПД 20%.
Гибридный усилитель на базе 12 мм GaN/AlGaN транзистора на SiC подложке имеет выходную мощность 40 Вт (3,39 Вт/мм) и КПД 20%.
Cree ставит задачу освоения с помощью дискретных и монолитных GaN приборов диапазона частот (5 35) ГГц для широкополосных коммерческих систем связи, а также для систем радиолокации и связи военного назначения. Частично эти работы финансируются исследовательским лабораторным центром ВВС (Air Force Research Laboratories) и исследовательским отделом ВМФ (Office of Naval Research).
Fujitsu сообщает о разработке в своих лабораториях самого мощного в мире GaN HEMT усилителя с выходной мощностью 174 Вт (при напряжении 63 В) и КПД = 40%. Усилитель может использоваться в базовых станциях мобильной беспроводной связи диапазона 3 ГГц, [9]. Работая в настоящее время над созданием производственного оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры для массового выпуска, Fujitsu ожидает появления усилителей на рынке через 1 – 2 года.
В заключение данного раздела следует отметить, что высокая (5 Вт/мм и более) плотность мощности , получаемая на GaN структурах при малых мощностях, на практике не реализуется при попытке создания на этих структурах транзисторов с выходной мощностью более (3 5) Вт. Причину этого, вероятнее всего, следует искать в падении электрических характеристик GaN транзистора в процессе его разогрева на больших мощностях.