集成的专业知识为X波段PA提供最佳的氮化镓解决方案

氮化镓是在高频应用中实现高效运行的无可争议的技术，例如 X 波段 （8–12 GHz） 的应用。SiC器件上的GaN可以为这些应用提供急需的高温可靠性和功率密度，因为材料具有无与伦比的导热性以及它们之间的晶格匹配。

但是，X波段应用的器件选择并不止于选择材料技术，因为将块状材料特性转化为SiC器件上的高性能GaN是另一回事。

对于X波段应用设计人员Wolfspeed（垂直集成的SiC上的GaN设备制造商和提供商）来说，代工服务不仅带来了30多年的宽带隙材料和开发经验，而且还带来了器件设计的成功。

工艺是秘诀

Wolfspeed 在其产品组合中统计了多个流程，每个流程都旨在最好地满足一组不同的应用要求（图 1）。例如，G28V5 是一种高性能 28V 工艺，针对高频应用以及低频操作，以实现最高效率或宽带宽要求。

 

	G28V5	G28V4	G40V4	G28V3	G50V3
浇口长度	0.15微米	0.25微米	0.25微米	0.4微米	0.4微米
偏置电压	28	28	40	28	50
击穿电压	>84V	>120V	>120V	>120V	>150V
射频功率密度	3.75瓦/毫米	4.5瓦/毫米	6瓦/毫米	4.5瓦/毫米	8瓦/毫米
频带	直流 - 40 千兆赫	直流 - 18 千兆赫	直流 - 18 千兆赫	直流 - 8 千兆赫	直流 - 6 千兆赫
碳化硅基板厚度	75 微米	100 微米	100 微米	100 微米	100 微米
双通道 3μm 厚互连器件	•	•	•	•	•
想想薄膜和块状电阻器	•	•	•	•	•
MIM 电容器 >100V	•	•	•	•	•
槽通孔	•	•	•	•	•
PF 功率场效应管和射频开关场效应管	•	•	•	•	•

 

图1： Wolfspeed 的零件使用多种工艺技术中的任何一种，旨在为各种应用提供最佳权衡。最新的G28V5工艺特别适合在X波段和Ka波段一直运行。

栅极尺寸对增益、频率和击穿电压的影响是公认的。需要考虑的一个关键参数是栅极长度，它会影响栅极电阻和栅极至漏极电容。通常，较短的栅极会降低电容，从而实现更高的工作频率，而较长的栅极长度会增加栅极电容。因此，栅极长度与GaN HEMT显示的最大频率（FMAX）和单位增益截止频率（FT）成反比。

Wolfspeed 实现了图 1 所示的各种工艺特性，并仔细考虑了最大频率、击穿电压和栅极长度之间的权衡等参数。

因此，工艺选择是公司在制造SiC部件上GaN时进行器件设计的重要步骤。

选择进程

在为X波段设计SiC MMIC上的GaN时，必须做出几个初步的设计选择，包括选择工艺技术。Wolfspeed 最新的 GaN on SiC 工艺 G28V5 可满足 X 波段至 40 GHz 以上的工作需求。实现这一点的一个关键因素是栅极长度减少到0.15 μm。

它具有两个金射频互连层、两种电容器、薄膜和大容量氮化镓电阻器，以及用于连接电容器和电感器等电路元件的介电支撑桥。SiC 衬底厚度仅为 75 μm，通过采用 GaN on SiC MMIC 工艺提供的尺寸，具有最小的衬底。这使得 FET 占位面积对于 X 波段应用来说非常小。

G28V5 具有以下特点：

0.15 μm 栅极长度

阈值电压 （VP） ~–2 V

28V 偏置，击穿>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

金属 1 = 3 μm;金属 2 = 3 μm

金属-绝缘体-金属标准密度电容 180 pF/mm2

高密度电容 305 pF/mm2

薄膜电阻 12 Ω/平方

氮化镓电阻 66 Ω/平方和 410 Ω/平方

该工艺在 1°C 下的平均失效时间超过 225 万小时，并且已通过全面认证。

MMIC的更多注意事项

其他初步设计考虑因素包括晶体管尺寸和偏置、满足输出功率要求所需的晶体管数量、匹配考虑因素以及负载牵引仿真。

还必须进行负载牵引仿真，以了解PAE在目标频率下如何在负载阻抗范围内变化（图2）。Wolfspeed使用这些测量值，并用物理方程描述设备。由此产生的器件模型非常精确，使一次性设计成为可能。

图 2：测量的 G28V5 能力数据。

专为 X 波段设计的 PA

考虑到这些因素，Wolfspeed 开发了 CMPA801B030S，这是一款适用于 40.7 至 9.11 GHz 应用的封装 0W PA。它是 CMPA801B030 系列 MMIC 的一部分，提供 30 W 至 40 W 的峰值输出，增益范围为 16 dB 至 28 dB。

CMPA801B030S MMIC 利用两级增益提供 20 dB 的大信号增益（图 3）。其 40% 的效率支持较低的系统直流电源要求，再加上额定结温 Tj，MMIC 简化了冷却子系统。

 

参数	8.0千兆赫	8.5千兆赫	9.0千兆赫	10.0千兆赫	11.0千兆赫	单位
小信号增益	28.2	27.5	27.1	24.6	24.0	分贝
输出功率	39.3	45.9	48.9	42.3	40.7	W
功率增益	19.9	20.6	21.0	20.3	20.1	分贝
功率附加效率	38.2	40.6	41.3	39.4	37.0	%

 

此外，该部件采用 7 × 7 mm 塑料包覆成型 QFN 封装，以满足空间限制和高吞吐量制造要求。

从器件到参考设计的流程

X波段应用，如相控阵雷达，包括合成孔径和有源电子扫描阵列雷达，是面向广泛市场的重要设备，包括用于国防、商业航空和海上导航的空域监测和武器瞄准、空中和海上交通管制、火控系统、天气监测，甚至高分辨率城市监测和植被测绘。

市场研究机构Strategy Analytics估计，仅X波段雷达细分市场将从6年的3亿美元增长到2018年的8亿美元以上。阿拉伯数字

审核编辑：郭婷