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:

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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 >>>

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 >>>

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) >>>