RICERCA ITALIANA     

Circuiti integrati a larga banda per microonde e onde millimetriche su nitruro di gallio per sottosistemi a basso rumore ed alta potenza

Politecnico di Torino

Abstract

Benché i progressi nella tecnologia del GaN abbiano condotto a spettacolari prestazioni di potenza a RF, sviluppi di grande interesse sono ancora possibili nei circuiti e dispositivi integrati su GaN per microonde e onde millimetriche, ove il GaN offre prestazioni ineguagliate da altri semiconduttori composti per densità di potenza e robustezza, ed apre la strada alla realizzazione di moduli TX/RX compatti per applicazioni terrestri e spaziali fino alla banda W. Il progetto Circuiti integrati a larga banda per microonde e onde millimetriche su nitruro di gallio per sottosistemi a basso rumore ed alta potenza è volto ad esplorare quest'area innovativa e a condurre a progressi strategici nello stato dell'arte della tecnologia italiana del GaN, il cui leader, SELEX-SI, sarà coinvolto attivamente come partner esterno.

Il progetto nasce dalla cooperazione di UR-PT (Politecnico di Torino), UR-TV (Un. di Roma Tor Vergata), UR-PD (Un. di Padova), UR-MO (Un. di Modena e Reggio Emilia) e di SELEX-SI, principale punto di riferimento tecnologico. Le quattro UR hanno un'eccellente storia di cooperazione su progetti italiani ed europei nelle aree della modellizzazione di dispositivi e della caratterizzazione, analisi di affidabilità e progetto di circuiti in GaN; i loro rapporti di ricerca con SELEX-SI sono ben consolidati. I contributi saranno:

UR-PT Modello elettrotermico autoconsistente, caratterizzazione e progetto di circuiti integrati HEMT su GaN per microonde e onde millimetriche. L'attività riguarderà la modellistica fisica e termica di dispositivi e circuiti in GaN, e includerà il modello dei passivi distribuiti su GaN, la caratterizzazione e la simulazione di ampio segnale di dispositivi di potenza in GaN, e il progetto di un amplificatore di potenza a larga banda a microonde. UR-PT sarà il coordinatore del progetto.

UR-TV Caratterizzazione, modellistica e progetto per circuiti integrati a microonde e onde millimetriche a basso rumore in GaN. L'attività di UR-TV sarà focalizzata sulla caratterizzazione di HEMT in GaN a basso rumore e di potenza, sulla caratterizzazione e modellistica di elementi passivi concentrati per MMIC in GaN, sullo sviluppo di modelli SS/LS e di rumore per HEMT in GaN, e sul progetto di un amplificatore MMIC a basso rumore nelle onde millimetriche.

UR-PD Caratterizzazione e affidabilità di dispositivi su nitruro di gallio per circuiti integrati a basso rumore e alta potenza per microonde e onde millimetriche. L'obiettivo di UR-PD sarà la caratterizzazione di effetti di portatori caldi in dispositivi su GaN per applicazioni di potenza nelle microonde e onde millimetriche, la misura del breakdown e la determinazione dei meccanismi di breakdown in HEMT a canale corto in GaN, l'affidabilità di dispositivi in GaN sottoposti a test di stress elettrico e termico.

UR-MO Affidabilità a radiofrequenza e simulazioni numeriche di dispositivi GaN HEMT avanzati e standard per applicazioni di potenza a microonde e ad onde millimetriche. L'attività di UR-MO riguarderà la simulazione fisica di HEMT in GaN scalati, la verifica di strutture avanzate per HEMT in GaN volte a migliorare le prestazioni di potenza alle microonde e onde millimetriche, l'affidabilità di HEMT in GaN sottoposti a stress RF e la correlazione con test di stress in continua, la caratterizzazione di HEMT in GaN mediante misure di potenza RF e la correlazione con misure impulsate DTLS.

L'impegno (in mesi uomo) è: UR-PT: 89, UR-TV: 64, UR-PD: 69, UR-MO: 57; 151 nel primo, 128 nel secondo anno.

Il progetto è organizzato in quattro linee di ricerca, ciascuna suddivisa in attività che coinvolgono una o più UR.

SIMULAZIONE (SI)

SI-WP.1 Simulazione fisica e termica di HEMT su GaN (mesi 1-24): UR-MO, UR-PT
SI-WP.2 Simulazione elettromagnetica di strutture passive integrate
per onde millimetriche (mesi 7-18): UR-PT, UR-TV

AFFIDABILITÀ (RE)

RE-WP.1 Affidabilità e rating di dispositivi passivi (mesi 1-12): UR-PD
RE-WP.2 Affidabilità e identificazione dei meccanismi di guasto (mesi 1-24): UR-PD, UR-MO
RE-WP.3 Test di stress RF (mesi 13-24): UR-MO

CARATTERIZZAZIONE E MODELLI RF (CM)

CM-WP.1 Caratterizzazione e modelli di elementi passivi (mesi 1-12): UR-PT, UR-TV , UR-PD
CM-WP.2 Caratterizzazione di elementi attivi mediante misure DC, DC impulsate e di piccolo segnale (mesi 1-18): UR-TV, UR-MO, UR-PD
CM-WP.3 Caratterizzazione di potenza di elementi attivi (mesi 13-24): UR-PT, UR-MO
CM-WP.4 Modelli di ampio segnale di elementi attivi (mesi 13-24): UR-TV , UR-PT
CM-WP.5 Caratterizzazione e modelli di rumore di elementi attivi (mesi 13-24): UR-TV

PROGETTO DI DIMOSTRATORI (DD)

DD-WP.1 Progetto di amplificatori dimostratori a basso rumore (mesi 13-24): UR-TV
DD-WP.2 Progetto di dimostratori di potenza (mesi 13-24): UR-PT

Gli obiettivi del progetto sono discussi nelle sezioni seguenti. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giovanni Ghione Politecnico di TORINO

Obiettivo del Programma di Ricerca

I dispositivi e gli amplificatori di potenza in GaN hanno conosciuto uno sviluppo notevolissimo nel corso degli ultimi dieci anni, raggiungendo livelli di densità di potenza dell'ordine di 40 W/mm su dispositivi field-plate a radiofrequenza. Sebbene la qualità dei materiali e dei substrati costituisca ancora un problema, gli HEMT su GaN a radiofrequenza (tipicamente per applicazioni in area wireless) stanno gradualmente lasciando lo stadio della ricerca per entrare in quello precompetitivo e addirittura sul mercato. Oltre a CREE, che offre un processo di GaN su SiC per WiMax (http://www.cree.com/), NITRONEX commercializza HEMT di potenza in GaN per applicazioni 3G e 3.5G fino a 4 GHz circa (http://www.nitronex.com/) facendo uso di un processo proprietario GaN su Si, senza menzionare altri fornitori di dispositivi in area Giappone (ad es. Eudyna, http://www.eudyna.com/).

Tuttavia, come mostrato nella sezione Stato dell'arte, mentre gli HEMT in GaN trovano una forte concorrenza a RF da parte degli LDMOS, al crescere della frequenza fino alla regione delle microonde e delle onde millimetriche le prestazioni del GaN in termini di potenza d'uscita ma anche di robustezza nei confronti di forti interferenze in ingresso non può essere raggiunta da nessuna tecnologia concorrente (PHEMT in GaAs e HBT in SiGe o GaAs) per lo sviluppo di moduli integrati RX/TH o per trasmettitori di elevata potenza per applicazioni satellitari e radar. Per frequenze almeno fino a 40 GHz, il GaN offre prestazioni in grado di condurre a una vera rivoluzione nel progetto di MMIC di potenza e a basso rumore.

Naturalmente, per vincere una simile sfida è necessario disporre non soltanto di solide competenze di modellazione e progetto a microonde e nelle onde millimetriche, ma anche di dispositivi in GaN allo stato dell'arte. Da questo punto di vista, le unità di ricerca coinvolte nel progetto hanno un'eccellente storia cooperazione con l'unica foundry italiana di GaN, SELEX-SI, oltre ad avere contatti con altri fornitori di tecnologia GaN in Europa e negli U.S.A. Il progetto può quindi recare significativi progressi nella tecnologia del GaN per microonde e onde millimetriche attraverso a una forte interazione con SELEX-SI. Sotto questo aspetto, i principali obiettivi strategici possono essere descritti come segue:

- Sviluppo e ottimizzazione della tecnologia degli HEMT in GaN per transceiver a microonde e onde millimetriche, mediante perfezionamenti del processo EBL ora disponibile in SELEX-SI e studio di soluzioni avanzate basate su riscalamento spinto del gate e altri miglioramenti della geometria e dei materiali; una tale tecnologia integrata dovrebbe includere, come caratteristica indispensabile ad alta frequenza, una libreria affidabile di elementi passivi.
- Analisi di affidabilità di HEMT in GaN e di componenti passivi su GaN per circuiti integrati alle microonde e onde millimetriche, che permetta non soltanto di valutare i processi disponibili, ma anche di comprendere meglio molti punti scientificamente controversi che riguardano i meccanismi di guasto dei dispositivi in GaN.
- Caratterizzazione sperimentale e modellazione circuitale di elementi attivi e passivi in GaN per circuiti integrati di potenza e a basso rumore alle microonde e onde millimetriche, con modelli accurati almeno fino a 40 GHz.
- Progetto di circuiti transceiver dimostratori (amplificatore di potenza e amplificatore a basso rumore) con prestazioni confrontabili con lo stato dell'arte a livello internazionale.

Il raggiungimento di questi obiettivi, oltre a consentire un progresso nell'attuale conoscenza di questo campo, avrà impatto immediato nello sviluppo precompetitivo della tecnologia GaN alle microonde e onde millimetriche in Italia e in Europa. <<<

Risultati parziali attesi

Negli ultimi anni, l'interesse per la tecnologia del GaN per applicazioni di potenza (a radiofrequenze, ma anche per commutazione) ha subito uno sviluppo esplosivo, che ha condotto a notevoli risultati a RF in termini di densità di potenza e di potenza totale per stadio amplificatore. Sono state applicate con successo soluzioni ad alta efficienza, come amplificatori in classe E o a carico armonico, che hanno permesso di realizzare, in laboratorio, stadi di potenza a RF con prestazioni che surclassano quelle delle tecnologie concorrenti (come gli LDMOS). Le prospettive di mercato per gli amplificatori di potenza in GaN a RF, ad esempio per il mercato delle stazioni base, sono tuttavia penalizzate dall'immaturità della tecnologia.

Sotto questo aspetto, sarebbe probabilmente interessante perseguire un aumento della frequenza operativa e un corrispondente cambiamento delle applicazioni, proponendo il GaN, con la sua grande robustezza e la capacità di produrre potenze elevate, come possibile sostituto del GaAs nei transceiver integrati. Le prospettive di integrazione multifunzionale alle microonde e onde millimetriche pongono interessanti problemi tecnici in termini di ottimizzazione della struttura dei dispositivi, topologia degli amplificatori, e migliore sfruttamento delle proprietà del materiale, che permette tipicamente una densità di potenza maggiore di un ordine di grandezza rispetto al GaAs.
Molte applicazioni terrestri, spaziali o a doppio uso a frequenze inferiori a 40 GHz trarrebbero grandi benefici dall'introduzione del GaN come materiale d'elezione.

In questo scenario, il presente progetto mira a far progredire la ricerca tecnologica sui dispositivi HEMT in GaN a microonde e onde millimetriche in un contesto in cui molti partner tecnologici europei, e in particolare la foundry italiana di GaN SELEX-SI, sono coinvolte tradizionalmente in applicazioni ad alta frequenza dalla banda X alla banda W. Il forte interesse precompetitivo verso circuiti integrati in GaN a microonde e onde millimetriche è stato ripetutamente sottolineato in Europa ad esempio da bandi dell'ESA. I MIC in GaN a microonde e onde millimetriche presentano ora un considerevole potenziale di miglioramento, e si possono attendere risultati molto interessanti da una ricerca tecnologica avanzata in questo settore, anche sfruttando i forti legami tra i gruppi di ricerca proponenti e SELEX-SI.

Il principale risultato atteso da questo progetto è dunque un progresso significativo e strategico della tecnologia del GaN, della sua affidabilità e della capacità di produrre circuiti allo stato dell'arte nel contesto italiano ed europeo per applicazioni in transceiver a microonde e onde millimetriche, sfruttando direttamente il supporto esterno di una foundry (SELEX-SI) i cui dispositivi in GaN hanno già mostrato prestazioni promettenti nella banda X.

Il progetto copre tutte le aree significative in questa prospettiva: ottimizzazione della tecnologia e del progetto termico mediante simulazione fisica, termica ed elettromagnetica; studio dell'affidabilità con particolare attenzione ai problemi di stress a radiofrequenza; caratterizzazione e modellazione (di piccolo segnale, di ampio segnale e di rumore) dei dispositivi, finalizzate alla scelta dei dispositivi per il progetto di dimostratori di amplificatori a basso rumore e di potenza; progetto di dimostratori di un amplificatore a basso rumore e di un amplificatore di potenza fino al livello di layout, come verifica finale del potenziale della tecnologia.

Qui di seguito si presenta un elenco più dettagliato dei principali risultati attesi dal progetto, secondo una divisione in linee di ricerca. Per ogni risultato, inteso come potenziale obiettivo intermedio di riferimento, è indicata anche la tempistica; si usa una doppia tempistica per distinguere versioni preliminari e definitive.

LINEA DI RICERCA SIMULAZIONE (SI)

SI-WP.1 Simulazione fisica e termica di HEMT su GaN

I risultati riguarderanno l'ottimizzazione della tecnologia degli HEMT in GaN per microonde e onde millimetriche (da trasferire a SELEX-SI) e lo sviluppo di modelli termici behavioral:

SI-1. [M12] Ottimizzazione di HEMT in GaN ad alta frequenza mediante uno studio del riscalamento ( UR-PT, UR-MO).
SI-2. [M24] Studio dell'applicabilità agli HEMT in GaN di alcune strutture avanzate per microonde e onde millimetriche basate sulla tecnologia field-plate, su contatti di drain di tipo Schottky, e su DH-HEMT, e relativi criteri di ottimizzazione tecnologica ( UR-MO).
SI-3. [M12] Regole di progetto termico e criteri di layout per HEMT in GaN riscalati, con differenti substrati e supporti. ( UR-PT).
SI-4. [M18] [M24] Modelli termici behavioral di Wiener per HEMT in GaN per dispositivi selezionati prodotti dalla foundry ( UR-PT), da sfruttare ( UR-PT, UR-TV) nello sviluppo di un modello elettrotermico di ampio segnale autoconsistente (CM-WP.4).

SI-WP.2 Simulazione elettromagnetica di strutture passive integrate
per onde millimetriche

La simulazione elettromagnetica di strutture passive concentrate e distribuite su GaN condurrà ai seguenti risultati:

SI-5. [M18] Criteri di progetto per linee di trasmissione coplanari e in microstriscia su GaN ( UR-PT).
SI-6. [M18] Criteri di progetto per dispositivi passivi concentrati su GaN ( UR-TV).
SI-7. [M18] Libreria di progetto finale di componenti passivi per MMIC su GaN nella tecnologia di SELEX-SI ( UR-TV, UR-PT).

LINEA DI RICERCA AFFIDABILITÀ (RE)

La linea di ricerca RE produrrà risultati sulla comprensione dei meccanismi di guasto degli HEMT in GaN; tali risultati aiuteranno a migliorare l'affidabilità della tecnologia disponibile (SELEX-SI) e ad approfondire la conoscenza dei fenomeni fisici coinvolti. I test faranno uso di dispositivi prodotti da SELEX-SI e da altre fonti.

RE-WP.1 Affidabilità e rating di dispositivi passivi

RE-1. [M12] Affidabilità e valutazione di condensatori in SiN su GaN; comprensione dei meccanismi di guasto ( UR-PD).

RE-WP.2 Affidabilità e identificazione dei meccanismi di guasto

RE-2. [M12] Analisi di meccanismi di degradazione degli HEMT in GaN attivati termicamente (degradazione dei contatti ohmici e Schottky) ( UR-PD).
RE-3. [M12] Comportamento dello stress da elettroni caldi in funzione del punto di lavoro ( UR-PD).
RE-4. [M24] Correlazione tra la degradazione dovuta allo stress in continua e a radiofrequenza ( UR-PD, UR-MO).
RE-5. [M24] Risultati di resistenza alle scariche elettrostatiche di HEMT in GaN ( UR-PD).
RE-6. [M24] Dati di spettroscopia DLTS su HEMT in GaN sottoposti a test di accumulo in continua e termico da UR-PD (e test di stress RF da UR-MO) e interpretazione del comportamento delle trappole ( UR-MO).

RE-WP.3 Test di stress RF

RE-7. [M18] Banco di misura per test di stress RF fino a 10 GHz ( UR-MO).
RE-8. [M24] Criteri di sopravvivenza di HEMT in GaN a basso rumore pilotati da grandi potenze d'ingresso ( UR-MO).


LINEA DI RICERCA CARATTERIZZAZIONE E MODELLI RF (CM)

La linea di ricerca CM produrrà un insieme di dati sperimentali su strutture passive e HEMT in GaN provenienti da SELEX-SI e da altre fonti, riguardanti il comportamento in continua, in continua impulsato, di piccolo e di ampio segnale, da sfruttare per valutare la tecnologia, migliorare i processi e determinare l'affidabilità di HEMT in GaN a microonde e onde millimetriche. Questi dati sperimentali saranno anche la base per lo sviluppo di una libreria di modelli per componenti passivi e di modelli di rumore e di piccolo e ampio segnale per HEMT in GaN.

CM-WP.1 Caratterizzazione e modelli di elementi passivi

CM-1. [M12] Misure di strutture passive su GaN ( UR-TV, UR-PT);
CM-2. [M12] Sviluppo di modelli per componenti passivi per la tecnologia SELEX-SI ( UR-PT, UR-TV);

CM-WP.2 Caratterizzazione di elementi attivi mediante misure DC, DC impulsate e di piccolo segnale

CM-3. [M12] [M18] Misure DC e DC impulsate su HEMT in GaN ( UR-TV, UR-MO);
CM-4. [M18] Misure di piccolo segnale su HEMT in GaN fino a 65 GHz and determinazione delle cifre di merito (fmax, fT) ( UR-TV);
CM-5. [M18] Caratterizzazione a radiofrequenza, valutazione del breakdown dei dispositivi e ispezione per microscopia ad emissione su HEMT in GaN ( UR-PD).

CM-WP.3 Caratterizzazione di potenza di elementi attivi

CM-6. [M18] [M24] Caratterizzazione di potenza e load-pull di HEMT in GaN fino a 18 GHz ( UR-MO, UR-PT).

CM-WP.4 Modelli di ampio segnale di elementi attivi

CM-7. [M18] [M24] Modelli di ampio segnale di HEMT in GaN adatti a dispositivi con periferia grande (amplificatori di potenza) e piccola (amplificatori a basso rumore) per due dispositivi selezionati ( UR-PT, UR-TV)
CM-8. [M18] [M24] Modello elettrotermico autoconsistente di ampio segnale per un dispositivo da usare come amplificatore di potenza ( UR-PT, <strong>UR-TV)

CM-WP.5 Caratterizzazione e modelli di rumore di elementi attivi

CM-9. [M18] [M24] Modello di rumore di un HEMT in GaN a piccola periferia fino a 40 GHz ( UR-TV)


LINEA DI RICERCA PROGETTO DI DIMOSTRATORI (DD)

I risultati saranno i progetti di due amplificatori dimostratori (a basso rumore e di potenza) che saranno trasmessi al partner tecnologico (SELEX-SI) al termine del progetto per la valutazione e la possibile implementazione.

DD-WP.1 Progetto di amplificatori dimostratori a basso rumore (mesi 13 - 24)

DD-1. [M24] Progetto e layout di un amplificatore a basso rumore per onde millimetriche ( UR-TV), indicativamente a 35 GHz, con una banda del 10% e un guadagno di piccolo segnale di 20 dB. Valutazione dell'IMP e della robustezza del progetto nei confronti di sovraccarichi d'ingresso.

DD-WP.2 Progetto di dimostratori di potenza (mesi 13-24)

DD-2. [M24] Progetto e layout di un amplificatore di potenza a larga banda da 6 a 18 GHz, con guadagno di potenza di circa 10 dB e potenza d'uscita tra 2 e 4 W. Valutazione termica del progetto ( UR-PT). <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Introduzione

La tecnologia dei circuiti integrati monolitici (MMICs) HEMT su GaN a RF per microonde e onde millimetriche si è grandemente sviluppata negli ultimi anni, con prestazioni spettacolari in potenza di uscita a frequenze crescenti e buone prestazioni di rumore.

Dal punto di vista commerciale, gli amplificatori GaN a RF per stazioni base paiono allettanti, ma le tecnologie su Si (ad es. LDMOS), più mature, sono ancora competitive. Viceversa, alle microonde e onde millimetriche il GaN può utilmente sostituire il GaAs negli amplificatori a stato solido per alta potenza in banda X e oltre per applicazioni radar e satellitari, date le densità di potenza più grandi di un ordine di grandezza (5-10 W/mm a microonde, v. Figura 1) che permettono di semplificare notevolmente il progetto di un amplificatore, eliminando power combiners e diminuendo l’area del chip e le perdite.

Inoltre, le stesse caratteristiche che rendono i FET in GaN buoni candidati per applicazioni ad alta potenza, li rendono altresì ottimi per amplificatori a basso rumore (LNAs), per ricevitori in applicazioni radar o telecomunicazioni, poiché si possono eliminare i circuiti di limitazione per minimizzare i tempi di recovery e prevenire danni permanenti al LNA dovuti ad impulsi di potenza di ingresso elevati. Questa robustezza, insieme con le prestazioni a basso rumore, in termini di cifra di rumore minima (confrontabile con quella del GaAs), permetterà la realizzazione di stadi ricevitori ad alta sensibilità. Il che, sommato anche alla crescente compattezza dei chip, porterà alla realizzazione di ricevitori sempre più piccoli, integrati con la sezione di trasmissione.

Inoltre, la tecnologia GaN è in grado di fornire soluzioni anche per altri dispositivi per il signal processing di segnali analogici, come switch robusti e a basse perdite (anche in sostituzione degli isolatori), attenuatori variabili a larga banda e sfasatori. I FET in GaN quindi sono dei candidati promettenti per l’intero spettro delle applicazioni a microonde e onde millimetriche a larga banda. Comunque, è chiaro che la piena maturità tecnologica è ancora lontana dall’essere raggiunta, dal punto di vista sia della selezione del substrato (SiC, Zaffiro, Si?) sia dell’epitassia (cruciale per il fenomeno del current-collapse). L’indagine di affidabilità e meccanismi di danneggiamento è quindi cruciale per ottenere dispositivi commerciabili.





Progressi dei dispositivi GaN HEMT a microonde e onde millimetriche

Le prestazioni dei dispositivi GaAs HEMT hanno mostrato un costante miglioramento durante gli ultimi dieci anni, con fT e fmax attorno ai 100 e 200 GHz [58] (v. Tavola I) per processi da 150 nm di lunghezza di gate. Il funzionamento a onde millimetriche oltre i 30 GHz è stato dimostrato per la prima volta nel 2002 [18], e i record di frequenze di funzionamento sono ora attorno a 60 GHz, [43]. Con la tecnologia field plate, v. Figura 2, è stata ottenuta la densità di potenza record &gt;13 W/mm a 30 GHz (CREE [80]).

Sebbene queste prestazioni specifiche siano ottenute con dispositivi di periferia piccola, anche in dispositivi o amplificatori discreti o integrati, la potenza di uscita totale è comunque piuttosto elevata. A 30 GHz sono state ottenute potenze totale superiori ai 5 W, sicché gli amplificatori di potenza per le bande X, K, Ka possono sfruttare stadi di potenza a dispositivo singolo. Alcuni dati riguardanti la potenza totale del chip singolo sono mostrati in Figura 3. Il guadagno di un singolo stadio a 30 GHz è tipicamente attorno ai 6-7 dB, con guadagni di piccolo segnale attorno ai 10 dB; questo implica la necessità di strategie di progetto attente, per sfruttare al meglio le prestazioni del dispositivo, poiché il margine di guadagno alla frequenza operativa è modesto.





Le prestazioni di basso rumore dei GaN HEMT hanno ricevuto molta attenzione durante gli ultimi anni, per possibili applicazioni a ricevitori robusti e circuiti multifunzionali. Sono state ottenute cifre di rumori minime sotto al dB a 18 GHz e sono attesi valori attorno 1.5 dB alle prime onde millimetriche, v. Tavola 1, valori confrontabili con altre tecnologie III-V (Figura 4).



Tavola 1 - Evoluzione delle prestazioni degli HEMT su GaN, 2000-2007.


Progetto di amplificatori a larga banda

Tecniche classiche di broadbanding sono state applicate nel progetto di amplificatori, ad es. l'approccio distribuito (DAMP, vedi [2], [9], [16], [76]), celle cascode [4] e topologie push-pull [14]. Le tecniche a banda larga richiedono però dispositivi attivi ripetibili e uniformi sullo stesso chip, caratterizzati da bassi effetti parassiti, e modelli accurati per elementi passivi e attivi, la cui mancanza spesso ostacola il progetto su GaN a microonde basati su GaN.

Nonostante la relativa immaturità della tecnologia, sono stati sviluppati alcuni amplificatori MMIC a larga banda su GaN, con risultati incoraggianti: ad esempio Green [9], utilizzando un DAMP non uniforme, ha esteso la frequenza di utilizzo sopra i 9 GHz, mentre Ellis [39] riporta una performance a banda ultra larga (da 3 a 18 GHz) per applicazioni a basso rumore facendo uso di uno stadio di uscita da 0.6 mm.

Anche mezzi di trasmissione coplanari sono utilizzati nella progettazione integrata, e con questo approccio Van Raay [46] raggiunge larghezze di banda da 4 a 12 GHz, con 13 W in banda X. Molto di recente [77], il funzionamento a banda ultra larga (2 -15 GHz), ha ottenuto il record di 5.5 W di potenza di uscita con efficienza media del 25%, dimostrando il potenziale utilizzo della tecnologia GaN anche per applicazioni a larga banda.

Sebbene molte delle realizzazioni (vedi [40], [61], [66], [68], [75], [80]) e delle dimostrazioni di prestazioni del dispositivo (vedi [27], [38], [44], [51], [52], [57]) presentate, siano in banda K, esempi di applicazioni in banda W sono stati dimostrati da HRL Lab [69]. Tutte queste sfruttano le classiche metodologie progettuali in aggiunta ad una litografia del gate molto avanzata, o configurazioni del circuito adatte alla banda larga, come la configurazione cascode (Fraunhofer IAF). Come esempio, in Figura 5, sono mostrati il layout e la risposta di piccolo segnale di un amplificatore monolitico HRL in banda Ka (Pout = 4 W). In Figura 6 sono mostrati il layout e la risposta di piccolo segnale di un amplificatore HRL con 100 nm di gate a tre stadi in banda K (potenza di uscita 25 dBm).

Un'altra tendenza è la ricerca di prestazioni a basso rumore comparabili con quelle ottenibili con i composti tradizionali. In questo contesto, degli HEMT su GaN sono stati già utilizzati nelle bande C-X con risultati interessanti (NF minimo del dispositivo intorno a 0.6 dB [73]). Queste prestazioni potrebbero essere estese in frequenza con una tecnologia più matura, con lunghezze di gate di 200 nm. Sono stati già dimostrati sistemi a banda larga o a basso rumore con NF &lt;2 dB a 20 GHz [36].

La tendenza va verso l’integrazione di basso rumore e alta potenza sullo stesso chip, e questo è uno dei temi del presente progetto di ricerca. Tale integrazione, specialmente nella sezione del ricevitore, consentirebbe lo sviluppo di ricevitori meno sensibili alle interferenze del segnale, grazie all’utilizzo di componenti a elevato breakdown [64]. Questa integrazione eliminerebbe, almeno nei moduli T/R, gli stadi limitatori, con il conseguente miglioramento delle prestazioni di rumore dell’intero sistema.









Affidabilità

Nonostante le promettenti prestazioni della tecnologia AlGaN/GaN HEMT, vi sono limitazioni dovute a effetti parassiti e problemi di affidabilità. Esempi di effetti parassiti sono le trappole, superficiali e di volume, che possono limitare la corrente di drain in condizioni impulsate, le dislocazioni o i difetti alla giunzione di gate, che possono indurre grandi correnti di leakage inverse e fenomeni di soft breakdown, e i kink che si possono tradurre in isteresi della caratteristica corrente-tensione.

Dal punto di vista dell’affidabilità invece, occorre considerare che alti valori di densità di potenza e di PAE, implicano grandi tensioni di drain, forti correnti di picco e grandi ampiezze di segnali RF all’ingresso e all’uscita. Le forti tensioni di polarizzazione possono indurre campi elettrici intensi nel canale, con conseguente forte degradazione del dispositivo. Alcuni recenti articoli hanno riportato degradazione da elettroni caldi per diverse condizioni di polarizzazione.

Kim ed altri [32] hanno presentato l’effetto della passivazione SiN e lo stress da elettroni caldi sulla affidabilità a breve termine nonché i fenomeni di gate lag dei dispositivi HFET su AlGaN–GaN. Hanno dimostrato che, mentre la passivazione SiN migliorava effettivamente l’affidabilità le prestazioni di potenza, lo stress da elettroni caldi esacerbava i fenomeni di current collapse, i quali erano invece alleviati dalla passivazione SiN. Grazie a misure di gate lag su dispositivi con passivazione SiN in condizioni di stress, si sono messi in evidenza gli effetti delle trappole indotti da campi elettrici intensi. In [71], poi, è stata condotta una valutazione esaustiva della affidabilità a breve termine di dispositivi GaN HEMT polarizzati in condizioni di campo elettrico elevato, in stati ON e OFF. Le modalità di degradazione, comuni a entrambe le condizioni di stress, sono diminuzioni di I _D e g _m, amplificazione del gate-lag, e diminuzioni delle correnti di leakage del gate. La degradazione di gm è massima per grandi V _GS o in corrispondenza del picco di g _m per lo stress di stato accesso e spento. La degradazione è localizzata sul bordo del gate per lo stress OFF, e sul bordo del drain per lo stress ON. Bisogna comunque sottolineare che il field plate [55] è efficace per ridurre i campi elettrici elevati all’interno della zona attiva del dispositivo, la qual cosa permette quindi di alleviare qualsiasi problema di affidabilità collegato con campi elettrici intesi e gli elettroni caldi. Le simulazioni 2D di [71] indicano che la degradazione potrebbe essere ascritta alla generazione contemporanea di trappole per accettori all’interfaccia gate-drain e accumulazione di trappole nella regione del buffer di GaN. Solamente la generazione contemporanea di trappole di superficie e di buffer può spiegare tutte le modalità di degradazione osservate.

In [72] è recentemente fornita una spiegazione alternativa alla degradazione da elettroni caldi in dispositivi HEMT su Al-GaN/GaN da 250 nm di gate, usando simulazioni Monte Carlo; si dimostra che gli elettroni caldi possono causare degradazione localizzata al lato di drain del bordo del gate (dove è il massimo campo elettrico), simulata riducendo il valore della carica di polarizzazione rispetto a quella del dispositivo non sotto stress nella stessa regione. I risultati delle simulazioni mostrano che se il rilassamento delle condizioni di stress è esteso all’interno della regione gate-drain, non solo aumenta la resistenza di accesso, ma si sposta anche la tensione di soglia e la transconduttanza si riduce. Questi effetti sono in accordo con quelli osservati sperimentalmente in [71]. Infine, Joh e del Alamo [70], hanno eseguito esperimenti sistematici su affidabilità elettrica di dispositivi GaN HEMT allo stato dell’arte, scoprendo che la degradazione è indotta principalmente dal campo elettrico e che esiste un campo elettrico critico al di sotto del quale si riscontrano degradazioni trascurabili. La degradazione è compatibile con un modello di formazione di difetti nella barriera AlGaN, risultato di campi elettrici intensi. L’assunzione è che i difetti reticolari siano introdotti da stress eccessivo.

Problemi termici e modello elettro-termico

La densità di potenza RF dei dispositivi HEMT in AlGaN/GaN ha raggiunto valori oltre i 40 W/mm [65], in dispositivi con fieldplate. Le problematiche relative alla dissipazione del calore rendono il progetto termico punto chiave per sviluppare con FET di potenza su GaN. Alle microonde e alle onde millimetriche l’autoriscaldamento del dispositivo dovrebbe diventare meno problematico, poiché la densità di potenza tende a diminuire (valori record sono attorno ai 13 W/mm a 30 GHz). Peraltro, l’autoriscaldamento non peggiora solamente l’affidabilità del dispositivo (degradazione DC e RF), ma ha anche impatto sulla linearità dell’amplificatore attraverso effetti di memoria termici [10], [45], [12], potrebbero essere critici in sistemi di comunicazione moderni, caratterizzati da segnali di ingresso modulati che eccitano dinamiche lente termiche e/o collegate a trappole [11].

Durante gli ultimi anni, UR-PT ha sviluppato esperienza nella simulazione termica dinamica e statica di dispositivi su GaN, attraverso approcci quasi-analitici [42] e numerici, che permettono simulazioni in DC e in transitorio, nonché la trattazione dettagliata di non linearità termiche del materiale. L’attività, svolta nell’ambito dei progetti PRIN "GaNFET" e "FPFET" (bandi 2003 e 2005), ha portato alla valutazione dell’accuratezza delle simulazioni, attraverso confronti con dati sperimentali ottenuti con tecnica della fotocorrente da UR-TV [56], [59]. L’analisi ha permesso di stabilire criteri di ottimizzazione per lo spessore del substrato [78]; si è trovato che, contrariamente a ciò che accade in dispositivi III-V, l’assottigliamento del GaN generalmente non diminuisce la resistenza termica dei dispositivi con montaggio backside. Si è effettuata anche una revisione attenta dei modelli di conducibilità termica per diversi substrati e materiali di montaggio, al fine di produrre simulazioni significative [78].

Tutto il know-how sviluppato, riguardante il modello termico, è stato applicato allo sviluppo di modelli elettrotermici autoconsistenti, combinando un modello circuitale con parametri dipendenti dalla temperatura a un modello termico behavioral basato sull’approccio di Wiener e estratto da simulazioni termiche 3D agli elementi finiti [79]. Modelli simili sono stati presentati in [15], [24], [62], dove peraltro le dinamiche termiche erano approssimate con risposte statiche o a singolo polo, il che non permette di catturare la risposta dinamica dettagliata di montaggi termici compositi il cui comportamento è intrinsecamente distribuito.

Il bisogno di una rappresentazione molto accurata delle dinamiche termiche lente, è confermato dal fatto che l’effetto della retroazione termica sui prodotti di intermodulazione (asimmetria ed effetti di memoria lenti) ha luogo attraverso la non linearità quadratica imposta dalla relazione tra tensione - potenza dissipata e attraverso la conversione e filtraggio a bassa frequenza e successiva riconversione ad alta frequenza degli IMP2 generati termicamente [79]. Un esempio dell’accuratezza del modello termico behavioral rispetto al modello agli elementi finiti 3D completo, è mostrato in Figura 7. Infine, un esempio di confronto sperimentale tra gli IMP3 misurati e simulati è mostrato in Figura 8.





Bibliografia


<<<