集成的專業(yè)知識為X波段PA提供最佳的氮化鎵解決方案

氮化鎵是在高頻應(yīng)用中實現(xiàn)高效運行的無可爭議的技術(shù)，例如 X 波段 （8–12 GHz） 的應(yīng)用。SiC器件上的GaN可以為這些應(yīng)用提供急需的高溫可靠性和功率密度，因為材料具有無與倫比的導熱性以及它們之間的晶格匹配。

但是，X波段應(yīng)用的器件選擇并不止于選擇材料技術(shù)，因為將塊狀材料特性轉(zhuǎn)化為SiC器件上的高性能GaN是另一回事。

對于X波段應(yīng)用設(shè)計人員Wolfspeed（垂直集成的SiC上的GaN設(shè)備制造商和提供商）來說，代工服務(wù)不僅帶來了30多年的寬帶隙材料和開發(fā)經(jīng)驗，而且還帶來了器件設(shè)計的成功。

工藝是秘訣

Wolfspeed 在其產(chǎn)品組合中統(tǒng)計了多個流程，每個流程都旨在最好地滿足一組不同的應(yīng)用要求（圖 1）。例如，G28V5 是一種高性能 28V 工藝，針對高頻應(yīng)用以及低頻操作，以實現(xiàn)最高效率或?qū)拵捯蟆?/p>

圖1： Wolfspeed 的零件使用多種工藝技術(shù)中的任何一種，旨在為各種應(yīng)用提供最佳權(quán)衡。最新的G28V5工藝特別適合在X波段和Ka波段一直運行。

柵極尺寸對增益、頻率和擊穿電壓的影響是公認的。需要考慮的一個關(guān)鍵參數(shù)是柵極長度，它會影響柵極電阻和柵極至漏極電容。通常，較短的柵極會降低電容，從而實現(xiàn)更高的工作頻率，而較長的柵極長度會增加柵極電容。因此，柵極長度與GaN HEMT顯示的最大頻率（FMAX）和單位增益截止頻率（FT）成反比。

Wolfspeed 實現(xiàn)了圖 1 所示的各種工藝特性，并仔細考慮了最大頻率、擊穿電壓和柵極長度之間的權(quán)衡等參數(shù)。

因此，工藝選擇是公司在制造SiC部件上GaN時進行器件設(shè)計的重要步驟。

選擇進程

在為X波段設(shè)計SiC MMIC上的GaN時，必須做出幾個初步的設(shè)計選擇，包括選擇工藝技術(shù)。Wolfspeed 最新的 GaN on SiC 工藝 G28V5 可滿足 X 波段至 40 GHz 以上的工作需求。實現(xiàn)這一點的一個關(guān)鍵因素是柵極長度減少到0.15 μm。

它具有兩個金射頻互連層、兩種電容器、薄膜和大容量氮化鎵電阻器，以及用于連接電容器和電感器等電路元件的介電支撐橋。SiC 襯底厚度僅為 75 μm，通過采用 GaN on SiC MMIC 工藝提供的尺寸，具有最小的襯底。這使得 FET 占位面積對于 X 波段應(yīng)用來說非常小。

G28V5 具有以下特點：

0.15 μm 柵極長度

閾值電壓 （VP） ~–2 V

28V 偏置，擊穿>84V

F最大 >120 GHz

12 dB 增益 @ 30 GHz

3.75 瓦/毫米功率密度 @ 30 GHz

功率附加效率 （PAE） >40% @ 30 GHz

金屬 1 = 3 μm;金屬 2 = 3 μm

金屬-絕緣體-金屬標準密度電容 180 pF/mm2

高密度電容 305 pF/mm2

薄膜電阻 12 Ω/平方

氮化鎵電阻 66 Ω/平方和 410 Ω/平方

該工藝在 1°C 下的平均失效時間超過 225 萬小時，并且已通過全面認證。

MMIC的更多注意事項

其他初步設(shè)計考慮因素包括晶體管尺寸和偏置、滿足輸出功率要求所需的晶體管數(shù)量、匹配考慮因素以及負載牽引仿真。

還必須進行負載牽引仿真，以了解PAE在目標頻率下如何在負載阻抗范圍內(nèi)變化（圖2）。Wolfspeed使用這些測量值，并用物理方程描述設(shè)備。由此產(chǎn)生的器件模型非常精確，使一次性設(shè)計成為可能。

圖 2：測量的 G28V5 能力數(shù)據(jù)。

專為 X 波段設(shè)計的 PA

考慮到這些因素，Wolfspeed 開發(fā)了 CMPA801B030S，這是一款適用于 40.7 至 9.11 GHz 應(yīng)用的封裝 0W PA。它是 CMPA801B030 系列 MMIC 的一部分，提供 30 W 至 40 W 的峰值輸出，增益范圍為 16 dB 至 28 dB。

CMPA801B030S MMIC 利用兩級增益提供 20 dB 的大信號增益（圖 3）。其 40% 的效率支持較低的系統(tǒng)直流電源要求，再加上額定結(jié)溫 Tj，MMIC 簡化了冷卻子系統(tǒng)。

此外，該部件采用 7 × 7 mm 塑料包覆成型 QFN 封裝，以滿足空間限制和高吞吐量制造要求。

從器件到參考設(shè)計的流程

X波段應(yīng)用，如相控陣雷達，包括合成孔徑和有源電子掃描陣列雷達，是面向廣泛市場的重要設(shè)備，包括用于國防、商業(yè)航空和海上導航的空域監(jiān)測和武器瞄準、空中和海上交通管制、火控系統(tǒng)、天氣監(jiān)測，甚至高分辨率城市監(jiān)測和植被測繪。

市場研究機構(gòu)Strategy Analytics估計，僅X波段雷達細分市場將從6年的3億美元增長到2018年的8億美元以上。阿拉伯數(shù)字

審核編輯：郭婷