Сравнение технологии силовых транзисторов GaN на SiC с GaAs и Si

Более 15 лет в технической литературе обсуждается потенциал силовых приборов на основе нитрида галлия (GaN) для повышения коэффициента усиления, полосы пропускания, линейности и эффективности в диапазоне очень высоких (VHF) и СВЧ-частот. За это время было опубликовано множество научных работ и прикладных заметок, демонстрирующих, как реализовать этот потенциал при проектировании усилителей. Сегодня, когда технология GaN достигла зрелости, уместно сравнить её преимущества с наиболее распространёнными альтернативами — арсенидом галлия (GaAs) и кремнием (Si).

Среди этих технологий кремниевые LDMOS-транзисторы (латеральные диффузионные МОП-транзисторы) прочно закрепились в низкочастотных высокомощных системах, а также в усилителях базовых станций беспроводной связи в диапазоне около 2 ГГц. В то же время GaAs-полевые транзисторы широко применяются на более высоких частотах — как в космических, так и в наземных СВЧ-системах. Инженеры-разработчики усилителей сегодня могут выбирать из обширного ассортимента компонентов при создании новых решений.

Кремниевые LDMOS-транзисторы

LDMOS — это латеральный тип силового МОП-транзистора. Его структура формирует инверсионный канал под затвором над латерально диффундированным P-карманом (см. Рис. 1). Вертикальные силовые полевые транзисторы были разработаны ранее и отлично справляются с передачей высокой мощности и тока. Однако их очень высокая входная и выходная ёмкость серьёзно ограничивает высокочастотные характеристики. LDMOS был создан именно для решения этой проблемы, и технология доказала свою эффективность: устройства мощностью до 100 Вт доступны для работы на частотах до 3 ГГц, а более мощные — для низкочастотных применений.

Ключевые особенности Si LDMOS:

Высокая линейность (особенно по сравнению с другими кремниевыми технологиями)
Низкие входное и выходное сопротивления, требующие внутреннего согласования для нужной полосы частот
Меньшая ёмкость «сток-затвор», чем у GaAs
Более высокое напряжение пробоя, чем у GaAs
Низкая стоимость производства благодаря зрелым кремниевым процессам

Рисунок 1: Упрощённая структура кристалла силового кремниевого LDMOS-транзистора. LDMOS-транзисторы имеют несколько каналов затвора; здесь показаны два из них.

Силовые приборы на основе GaAs

Арсенид галлия обладает свойствами, позволяющими работать на частотах до 250 ГГц и выше. К ним относятся:

Полуизолирующая подложка с диэлектрической проницаемостью ~12,5
Высокое объёмное сопротивление, что позволяет изготавливать на кристалле микрополосковые или копланарные волноводы (CPW)

GaAs устойчив к радиации, что делает его предпочтительным для космических применений. Он обеспечивает низкий уровень шума, высокую линейность и отличные широкополосные характеристики. Однако у GaAs есть и ограничения: относительно низкая теплопроводность и умеренное напряжение пробоя (12–20 В).

Транзисторы GaAs, такие как MESFET (полевой транзистор с барьером Шоттки) и PHEMT (псевдоморфный транзистор со структурой с высокой подвижностью электронов), требуют отрицательного напряжения смещения. GaAs — зрелая технология, и за годы её развития были созданы различные структуры: от ранних MESFET и монолитных СВЧ-интегральных схем (MMIC) до более современных PHEMT и HBT (биполярных транзисторов с гетеропереходом), предлагающих разные преимущества для низкошумящих и высокочастотных приложений.

Также существуют высоковольтные GaAs-устройства с напряжением пробоя 28–50 В, выпускаемые ограниченным числом производителей. Они предназначены в первую очередь для спутниковой связи и точечных СВЧ-линий, поставляются в предварительно согласованных конфигурациях для различных СВЧ-диапазонов.

Сравнительные характеристики GaAs-структур:

MESFET

Отличная СВЧ-подложка; фоточувствительный затвор; пробой 16–20 В; требует двойного питания (+/-); высокая температура канала

PHEMT

Работа до 50 ГГц; высокая мощность и КПД среди GaAs; пробой ~12 В; низкое рабочее напряжение; двойное питание; дорогая технология (электронно-лучевая литография)

HBT

Однополярное питание; полностью оптический процесс изготовления; ограниченный отвод тепла; требует эмиттерных резисторов для стабильности

HV GaAs

Снижает токовые требования; поставляется в предсогласованных модулях; пробой 28/40/50 В; доступен на базе MESFET и HBT; ограниченная доступность, но от проверенных производителей

Технология GaN на SiC

На Рис. 3 представлена упрощённая схема структуры GaN-кристалла на подложке карбида кремния (SiC). Устройства GaN изготавливаются методом металлоорганического химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) в реакторах промышленного масштаба на 100-мм полуизолирующих подложках 4H-SiC. Как показано на рисунке, омические контакты формируются непосредственно на верхнем слое AlGaN, а затвор удлинён в сторону стока, образуя пластина формирования поля.

Среди технологий силовых транзисторов GaN обладает более плавным переходом в насыщение, что позволяет усилителям работать глубже в области насыщения, где КПД выше. Хотя GaAs и Si LDMOS также отличаются высокой линейностью, усилители на GaN обеспечивают тот же уровень линейности при значительно более высоком коэффициенте добавленной мощности (PAE). Один из производителей сообщает, что его новые GaN-усилители для спутниковой связи дают удвоенную выходную мощность по сравнению с предыдущими GaAs-решениями при той же насыщенной мощности.

Рисунок 3: Схематическое поперечное сечение GaN HEMT RF-структуры.

Этот результат достигается благодаря совокупности характеристик. По сравнению с LDMOS и GaAs, технология GaN на SiC обеспечивает:

Высокую подвижность электронов
Более высокое напряжение пробоя
Более высокую плотность мощности
Компактную площадь затвора и короткие межсоединения
Меньшие входную и выходную ёмкости
Более высокие входное и выходное сопротивления
Более высокий PAE

Каждая из этих характеристик улучшает линейность — как на уровне самого прибора, так и за счёт упрощения согласующих цепей и расширения полосы пропускания. Благодаря высокой врождённой линейности, оставшиеся искажения легче компенсировать с помощью обратной связи, фиксированной или адаптивной предыскажающей коррекции (DPD).

Почему выбрать GaN HEMT вместо LDMOS или GaAs FET?

Рассмотрим ключевые параметры подробнее:

Высокая подвижность электронов

Подвижность в GaN достигает ~2000 см²/(В·с) — выше, чем у LDMOS, но ниже, чем у GaAs. Хотя GaAs обеспечивает лучшую работу на сверхвысоких частотах, технологии GaN постоянно совершенствуются, и показатели f_max (максимальной рабочей частоты) стремительно растут.

Более высокое напряжение пробоя

GaN-устройства работают при V_DS = 28 В и 48 В, тогда как GaAs — всего при 12 В. LDMOS доступен при тех же напряжениях, что и GaN. Высокое рабочее напряжение снижает ток стока и омические потери. В сочетании со структурой GaN это обеспечивает более высокое сопротивление и меньшую ёмкость.

Более высокая плотность мощности

Структура GaN и, в особенности, подложка SiC (теплопроводность ~490 Вт/м·К) обеспечивают превосходный отвод тепла по сравнению с сапфиром или кремнием. Это позволяет:

Работать при более высоких температурах радиатора
Упрощать систему охлаждения
Повышать надёжность и безопасность системы

Компактные размеры кристалла

Структура GaN HEMT позволяет легко интегрировать пассивные компоненты: тонкоплёночные резисторы, конденсаторы типа «металл-изолятор-металл» (MIM) и слотовые переходы.

Меньшие входная и выходная ёмкости

Компактность, высокое напряжение пробоя и простая топология межсоединений снижают ёмкости. Это критично для уменьшения AM-PM конверсии — одного из главных источников искажений в ВЧ-усилителях. Меньшая ёмкость затвор-исток (C_gs) в GaN означает меньшую зависимость от напряжения и снижение нелинейных искажений.

Более высокие входное и выходное сопротивления

Низкая ёмкость и высокое резистивное сопротивление (благодаря высокому напряжению) упрощают согласование. Это позволяет:

Использовать более простые и менее потерьные согласующие цепи
Реализовывать широкополосное согласование
Часто отказываться от внутреннего согласования, что особенно важно для широкополосных приложений
При узкополосном дизайне — применять предварительное согласование для упрощения внешней схемы

Более высокий PAE (коэффициент добавленной мощности)

Медленный рост искажений при приближении к насыщению позволяет GaN-усилителям работать с меньшим «отступом» (back-off) от P_sat, что повышает энергоэффективность и упрощает реализацию линеаризации (например, DPD).

Заключение

Приборы на основе GaAs, Si и GaN обладают высокой линейностью, но различаются по таким параметрам, как максимальная выходная мощность, частотный диапазон, полоса пропускания, тепловые характеристики и простота реализации схемы. При комплексной оценке GaN (особенно на подложке SiC) демонстрирует наивысшую общую производительность во многих приложениях — особенно там, где приоритетами являются:

Высокий PAE
Отличное тепловое поведение
Простота реализации широкополосных согласующих цепей