Публикации

Microsemi

Новые возможности с транзисторами на основе нитрида галлия (GaN) компании Microsemi (2012)

Введение. Немного из истории развития полупроводниковых приборов на основе GaN.

     Применение нитрида галлия (GaN) в качестве материала для производства транзисторов началось относительно недавно. Первые демонстрации эффективных транзисторных гетероструктур AlGaN/GaN, выявляющие их основные преимущества и перспективы, относятся к началу 1990-х годов. В конце 1990-х годов появляются первые образцы компонентов, одновременно формируются и начинают выполняться военные и государственные программы развития данного направления.
     В то же время практически все ведущие мировые электронные компании, так или иначе связанные с производством GaAs и Si компонентов, начинают собственные инвестиции в технологию GaN приборов. Эти инвестиции приносят свои плоды, и в 2006-2007 годах анонсируются, а затем и появляются на рынке реальные коммерческие GaN-продукты: корпусированные мощные транзисторы в диапазоне частот от 2 до 4 ГГц с выходной мощностью от 5 до 50 Вт (несколько позднее и до 120-180 Вт). Пионерами выхода на коммерческий рынок стали компании Eudyna, Nitronex, Сree и RFHIC, чуть позднее к ним присоединятся Toshiba, RFMD, TriQuint, OKI, NXP и ряд других компаний [1].

Преимущества использования GaN технологии изготовления транзисторов.

     Учитывая современные требования, в последние годы заметно активизировались исследования широкозонных полупроводников (карбида кремния, нитрида галлия, нитрида алюминия и др.) и приборов на их основе. Уникальные свойства этих полупроводниковых материалов (большая ширина запрещенной зоны, высокие значения подвижности носителей заряда и их скоростей насыщения, большие коэффициенты теплопроводности и т.д.) обеспечивают создание на их основе приборов с рекордными значениями мощности, напряжения и тока.
     Интенсивные исследования в области разработок полевых транзисторов на основе GaN, активно поддерживаемые военными, позволили создать промышленные образцы приборов с рекордными значениями мощности, которые предполагается использовать в современных системах связи, оборонных и космических применениях.
     Наиболее перспективным широкозонным материалом в настоящее время является нитрид галлия, имеющий ширину запрещенной зоны около 3,5 эВ, подвижность и скорость насыщения электронов – около 2000 см2/В*с и 2,7*107 см/с, теплопроводность – более 1,5 Вт/м*К [2]. Отметим далее физические свойства широкозонных полупроводниковых соединений в общем, и GaN в частности, позволяющие добиться реального улучшения характеристик приборов по сравнению с традиционными кремнием и арсенидом галлия (таблица 1).

Характеристики материала

Si

GaAs

SiC

GaN

Ширина запрещённой зоны, эВ

1,1

1,4

3,2

3,5

Критическая напряженность электрического поля, *106 В/см

0,3

0,4

3

3,3

Теплопроводность, Вт/м*K

1,5

0,5

4,9

>1,5

Подвижность электронов, см2/В*с

1350

8500

700

2000

Дрейфовая скорость насыщения электронов, *107 см/с

1,0

2,0

2,0

2,7

          Таблица 1. Сравнение свойств полупроводниковых материалов

     Максимальная ширина запрещенной зоны (в 3 раза больше, чем у кремниевой технологии) обуславливает возможность работы транзистора при высоких уровнях температуры и радиации. Теоретически, транзисторы на основе GaN с шириной запрещенной зоны 3,5 эВ должны сохранять работоспособность при температурах до 500°С. На практике же в настоящее время максимальная температура стабильной работы транзисторов, изготовленных на подложках из карбида кремния, составляет более 200°С.
     Фирма Nitronex, приложившая огромные усилия по коммерциализации GaN транзисторов на более дешевых, но менее теплопроводных кремниевых подложках (по сравнению с SiC), провела серию испытаний этих приборов на надежность при рабочей температуре 200°С. Испытания 45 приборов компании (ширина затвора Wз = 16 мм, Vси раб. = 28 В) в течение 1500 ч при температуре 200°С показали, что они могут работать с обычным воздушным охлаждением. По мере совершенствования качества эпитаксиальных структур и технологии производства рабочая температура GaN транзисторов должна быть увеличена до 350–400°С [3].
     Рекордная удельная плотность мощности - одно из самых выдающихся достижений в области создания ВЧ GaN компонентов нового поколения. Максимальная критическая напряженность электрического поля (в 10 раз большая, чем у кремния) позволяет реализовать пробивные напряжения в 100-300 В и поднять рабочее напряжение стока до 50-100 В, что в сочетании с высокой плотностью тока обеспечивает удельную выходную мощность промышленных GaN-транзисторов 3-10 Вт на 1 миллиметр ширины затвора (до 30 Вт/мм в лабораторных образцах), что на порядок превышает удельную выходную мощность GaAs транзисторов. Высокое напряжение питания стока приводит к увеличению на порядок импеданса нагрузки стока и значительному облегчению согласования транзистора с нагрузкой.
     За счет существенно большей теплопроводности как эпитаксиальных пленок, так и подложки-носителя, а также за счет втрое большей ширины запрещенной зоны в транзисторах на основе нитрида галлия достигаются большие значения мощности от одного компонента, при этом уменьшаются размеры конечных изделий и устраняется необходимость применения систем охлаждения.
Сочетание высокой концентрации электронов проводимости, высокой подвижности электронов и большей ширины запрещенной зоны дает возможность GaN-транзисторам достичь существенного снижения значения сопротивления канала во включенном состоянии. По сравнению с кремниевыми приборами в силовых транзисторах на основе GaN может быть достигнуто снижение значения RDS(on) более чем на порядок в диапазоне напряжений пробоя от 100 до 300 В. Это позволит GaN-транзисторам заменить Si и даже SiC транзисторы в силовых системах, где требуются приборы с высокими значениями рабочих токов и напряжениями 1000 В и выше. Применение GaN-транзисторов позволит снизить потребление энергии в системах запуска электродвигателей, защиты электросетей от перегрузок и неожиданных отключений. Кроме того, очень высокая концентрация электронов в области двумерного электронного газа в сочетании с приемлемой подвижностью электронов дает возможность реализации большой плотности тока транзистора и высокого коэффициента усиления.
     Приведенные  параметры приборов на GaN хотя и значительны, но не предельны. Это обусловлено как недостатками материалов подложки, так и несовершенством выращиваемых на них эпитаксиальных структур. Подложки для GaN должны иметь минимальное расхождение с нитридом галлия по параметрам решетки, хорошую теплопроводность для снятия тепловых ограничений и хорошие изолирующие свойства, обеспечивающие малые потери на высоких частотах [4]. Кроме того, они должны быть доступны и технологичны в обработке, а диаметр подложек должен быть достаточно  большим, чтобы обеспечить экономически эффективное массовое производство. И, наконец, они должны быть достаточно дешевыми.
     Сегодня наиболее полно этим требованиям отвечают подложки из Al2O3, SiC и Si. Однако, рассогласование по постоянной решетке Al2O3 подложки и GaN велико (14%). К тому же, теплопроводность Al2O3 подложек очень низкая (0,33 Вт/м*К), поэтому они в основном применяются при изготовлении маломощных приборов.
     Подложки из кремния технологичны, поэтому очень перспективны с точки зрения экономичности производства. Они доступны, дешевы, характеризуются достаточно высокой теплопроводностью (1,5 Вт/м*К), не ограничены по диаметру пластин и легко поддаются утоньшению, что упрощает формирование в них сквозных отверстий. Но на кремниевых подложках достаточно сложно выращивать эпитаксиальные слои GaN. Это обусловлено сильным различием коэффициента теплового расширения и параметров решетки этих двух материалов. Подложки из монокристаллического SiC отвечают большинству перечисленных требований. Единственным минусом является относительная дороговизна производства и сложность в обработке. Но для решений, в которых определяющее значение имеет долговременная надежность и высокое качество, несомненно, это лучший выбор (рис.1).

Надёжность GaN/Si и GaN/SiC транзисторов          

          Рис.1. Надёжность GaN/Si и GaN/SiC изделий

     Для начала серийного производства полупроводниковых приборов на основе GaN ведущим компаниям в области твердотельной СВЧ электроники необходимо было решить ряд проблемных моментов. Среди наиболее важнейших требований - воспроизводимость с высоким коэффициентом выхода годных изделий, долговременная стабильность параметров в заданных эксплуатационных условиях, а также относительно невысокая себестоимость. Эти параметры GaN-приборов зависят от многих факторов: структуры и уровней легирования эпитаксиальных слоев, топологии транзистора, состава слоев металлизации, типа подложки и ее теплопроводности, параметров корпуса и т.д. Появление за последние пару лет разнообразной серийной продукции говорит о том, что большинство преград так или иначе преодолено, и перед полупроводниковыми приборами на основе нитрида галлия открываются широкие производственные перспективы. Предполагаемый коммерческий успех связан с такими преимуществами GaN как:
          • Простота и дешевизна схемотехнической реализации;
          • Лёгкость получения широких полос усиления, перекрытие одним мощным транзистором нескольких частотных диапазонов;
          • Снижение энергопотребления и связанных с ним издержек;
          • Уменьшение сложности и стоимости систем охлаждения.

Транзисторы на основе GaN компании Microsemi.

     Компания Microsemi является разработчиком полупроводниковых приборов, специализирующимся в области производства высоконадёжных силовых дискретных устройств, модулей и интегральных схем. Подразделение транзисторных решений разрабатывает, производит и поставляет мощные радиочастотные и микроволновые транзисторы и сборки с рабочим диапазоном частот от 10 МГц до 3,5 ГГц и выходной мощностью от 10 до 2000 Вт. При изготовлении используются кремниевый, SiC и GaN технологические процессы. Разработки Microsemi сфокусированы в основном на мощных системах бортового, наземного и судового оборудования, в частности на радарных комплексах УВЧ, L- и S-диапазонов (таблица 2).

Диапазон

Рабочие частоты, МГц

Класс работы

Мощность, Вт

ВЧ

150 - 250

A/B

2200

УВЧ

400 - 450

A/B

2200

P

870 -1000

C

300

L

1200 - 1400

C

370

L+

1480 - 1650

C

250

S

2700 - 3100

C

110

3100 - 3400

C

100

          Таблица 2. Диапазоны работы радарных комплексов и характеристики доступных транзисторов компании Microsemi

     Современные тенденции в развитии радарных технологий требуют от разработчиков:
          • Увеличения дальности работы путём увеличения выходной мощности радара
          • Увеличения длительности импульса, с целью увеличения информативности ответа
          • Увеличения плотности мощности для уменьшения габаритов усилителя
     Одним из наиболее перспективных способов достижения требуемых характеристик является переход от изделий на базе кремниевой и GaAs технологий к устройствам, выпускаемым на основе материалов с широкой запрещённой зоной SiC и GaN, что и обеспечивает продукция Microsemi.
     С целью увеличения долговременной надёжности изделий GaN транзисторы Microsemi выполняются на карбид кремниевой подложке, преимущества которой были отмечены выше. На текущие момент предлагаемая линейка силовых ВЧ транзисторов, использующая преимущества технологии GaN/SiC, состоит из восьми компонентов (таблица 3). Новые транзисторы обеспечивают самую высокую в промышленности импульсную мощность и коэффициент усиления и позиционируются для применения в радарных системах с частотным диапазоном от 2,7 до 3,5 ГГц [5].

Транзистор

Рабочие частоы, ГГц

Форма импульса

Мощность, Вт

Коэффициент усиления, дБ

Тепловое сопротивление, ºС/Вт

Напряжение пробоя сток-исток, В

2729GN-150

2,7-2,9

100мкс, 10%

160

14

1,1

250

2729GN-270

2,7-2,9

100мкс, 10%

280

14

0,6

250

2731GN-110

2,7-3,1

200мкс, 10%

120

12

1,1

250

2731GN-200

2,7-3,1

200мкс, 10%

220

12

0,6

250

3135GN-100

3,1-3,5

300мкс, 10%

115

12

1,1

250

3135GN-170

3,1-3,5

300мкс, 10%

180

12

0,6

250

2735GN-35

2,7-3,5

300мкс, 10%

30

11

2,4

250

2735GN-100

2,7-3,5

300мкс, 10%

100

11

1,1

250

          Таблица 3. GaN транзисторы Microsemi S диапазона.

     Для каждого из трёх частотных диапазонов компанией Microsemi выпускается по два транзистора, отличающихся номинальной мощностью. Кроме того, доступны широкополосные модели, позиционируемые для использования в системах управления воздушным движением (рис. 2).

Типовые характеристики широкополосного GaN транзистора 2735GN-100 Microsemi         

          Рис. 2 Типовые характеристики широкополосного GaN транзистора 2735GN-100.

     Напряжение пробоя транзисторов GaN/SiC превышает 250В, что позволяет работать со смещением стока в 60В, обеспечивая значительно более высокую надёжность устройства по сравнению с транзисторами, произведенными по LDMOS технологии. Большее напряжение смещения стока увеличивает пиковую выходную мощность, а более удобные в использовании значения импеданса устройства упрощают согласование во всем рабочем частотном диапазоне. Нитрид галлиевые транзисторы Microsemi имеют коэффициент усиления до 14 дБ, ширину полосы рабочих частот до 800 МГц и максимальную температуру эксплуатации 200ºС.
     Для применений, работающих в частотных диапазонах до 20 ГГц, материалы GaN/SiC с большой шириной запрещенной зоны позволяют уменьшить физические размеры систем. Например, одно устройство 2729GN-270 заменяет традиционную трехкаскадную усилительную схему на основе кремниевых транзисторов, которая включает в себя транзистор-драйвер и усилительную паллету с двумя 150 Вт-ными транзисторами (рис. 3).  Это существенно уменьшает размер всей системы и упрощает её разработку, одновременно улучшая такие характеристики как мощность, КПД и долговременную надёжность.

замена одним GaN транзистором 2729GN-270 традиционной трехкаскадной усилительной схемы на основе кремниевых транзисторов         

          Рис. 3. Модуль S-диапазона 2.7-2.9 ГГц

     Использование мощных транзисторов на основе GaN предъявляет повышенные требования не только к качеству монтажа кристаллов транзистора в корпус, но и к материалам и конструкции самого корпуса. GaN транзисторы Microsemi изготавливаются в малогабаритных герметичных корпусах 55-QP с позолоченными выводами и подвергаются 100% тестированию на воздействие жестких условий окружающей среды [6] (рис.4).

Габаритные размеры корпуса типа 55-QP для GaN транзисторов.

          Рис. 4. Внешний вид и габаритные размеры корпуса типа 55-QP для GaN  транзисторов.

Планы производства GaN транзисторов Microsemi.

     Компания Microsemi имеет многолетний опыт разработки силовых ВЧ компонентов на основе кремния и карбида кремния. Проект разработки нитрид галлиевых транзисторов был запущен только в 2010 г. Несмотря на это, уже в следующем 2011 г. были получены первые серийно выпускаемые приборы с характеристиками, не уступающими лидерам рынка GaN транзисторов. Помимо серийных изделий, уже сейчас доступны образцы для работы в C и L диапазонах, а опыт сотрудников компании и собственные наработки в данной области позволяют надеяться, что дальнейшие планы по расширению семейства не останутся только планами.
     В создании транзисторов и ИС на нитриде галлия заинтересованы не только разработчики новейших систем беспроводной связи и авиационного оборудования, но и военные. В настоящее время компания Microsemi заканчивает подготовку к началу промышленного выпуска радиационно-стойких нитрид галлиевых транзисторов для военного и космического применения. Первые радиационно-стойкие полевые GaN транзисторы новой линейки рассчитаны на рабочие напряжения 40, 60, 100, 150 и 200 В и имеют сопротивление открытого канала исток-сток в диапазоне от 4 до 100 мОм. Транзисторы имеют отличную стабильность характеристик при высоких температурах и температуру перехода, близкую к 300°C.
     Радиационно-стойкие полевые транзисторы Microsemi планируется поставлять в корпусах для поверхностного и выводного монтажа, а также в бескорпусном исполнении. Среди отличительных особенностей обращают на себя внимание очень низкая паразитная ёмкость, позволяющая уменьшить потери при переключении вдвое, а также низкое сопротивление канала в открытом состоянии, что минимизирует потери проводимости и увеличивает коэффициент передачи. Предварительное тестирование воздействия радиационного излучения на работоспособность полевых GaN транзисторов показало их хорошую устойчивость к различным видам воздействий единичных событий и суммарной поглощённой дозе излучения. Для подтверждения качества предлагаемых транзисторов компанией Microsemi в тесном сотрудничестве с Управлением тыла министерства обороны США (DLA) разрабатываются тестовые спецификации, удовлетворяющие требованиям стандарта MIL-PRF-19500.

Заключение.

     Чем же могут заинтересовать российских разработчиков нитрид галлиевые транзисторы с подложкой из карбида кремния (GaN-on-SiC)? Несомненно, они существенно расширили возможности мощных высокочастотных приборов. Высокая удельная мощность по сравнению с транзисторами на кремнии, арсениде галлия, карбиде кремния или на любом другом освоенном в производстве полупроводниковом материале, как следствие малые габариты разрабатываемых устройств, высокий коэффициент усиления, надежность работы в условиях повышенных температур и радиации - всё это в совокупности делает перспективными разработку и совершенствование GaN-технологии. Широкополосные беспроводные сети, оборудование авиационного, космического и военного применения, малогабаритные надёжные твердотельные радары – эти системы, как и многие другие, могут быть реализованы и в значительной мере усовершенствованны благодаря применению транзисторов на нитриде галлия.

Список используемой литературы:
     1. А.А. Кищинский. Твердотельные СВЧ усилители мощности на нитриде галлия - состояние и перспективы развития. // Материалы 19 Крымской конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, 2009 г.
     2. Ю.Р. Ефименков, В.О. Ткаченко, В.Н. Данилин. Исследования по созданию мощного СВЧ транзистора с барьером Шоттки, на GaN, с затвором, сформированным с помощью электронной литографии. // Материалы V Международной научно-технической школы-конференции Молодые ученые – 2008, часть 1, стр. 148-151.
     3. В. Данилин, Т. Жукова, Ю. Кузнецов и др. Транзистор на GaN пока самый "крепкий орешек". // Электроника: НТБ, 2005, №4, с.20-29.
     4. А. Васильев, В. Данилин, Т. Жукова. Новое поколение полупроводниковых материалов и приборов: через GaN к алмазу. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес  2007, №4, с.68-76
     5. GaN and SiC. RF Power Transistor Selection Guide. // microsemi.com.
     6. 2729GN – 150. rev.1, Datasheet, July 2011 // microsemi.com.

Поставки GaN транзисторов Microsemi