In Richtung Ka-Band: 20 GHz von GaN-HEMTs in 150 nm Gate-Technologie
Abb. 1: Ausgangskennlinienfeld von 2 x 50 µm Transistoren
Abb. 2: Load-Pull-Messungen an Transistoren mit 12 x 75 µm Gate-Geometrie (Vds = 28 V, Id = 30% Idss, Abstimmung der Ausgangsimpedanz auf maximale Leistung Pout)
Tabelle 1: Großsignal-Messungen an Transistoren mit 150 nm Gatelänge (Ausgangsimpedanz wurde auf Leistungsoptimum abgestimmt)
Satellitenverbindungen mit hohen Datenraten erfordern schnelle Transceiver im K- und Ka-Band. Im Rahmen des europäischen FP7-Projekts GaNSAT entwickelt das FBH K- und Ka-band GaN-MMICs für den Betrieb in satellitengestützten phasengesteuerten Antennenarrays. Der Downlink vom Satelliten soll dabei im K-Band bei 20 GHz erfolgen, während die Signale zum Satelliten bei 30 Hz im Ka-band übertragen werden sollen. Die für den Uplink und den Downlink erforderlichen GaN-Verstärker-MMICs werden im Rahmen des Verbundprojekts entwickelt und am FBH technologisch prozessiert.
Vor kurzem hat das FBH Gate-Prozessmodule für Ka-band GaN-MMICs entwickelt, die jetzt mit Epitaxiestrukturen kombiniert wurden, die optimal an die kurzen Gatelängen von 100 bis 150 nm angepasst sind. Die so hergestellten Leistungstransistoren zeigen eine verbesserte Konzentration der Elektronen im Transistorkanal und erreichen damit hohe Stromdichten. Das Epitaxiedesign eignet sich für Transistoren mit Gatelängen bis zu 100 nm.
Wie in Abb. 1 zu sehen erreicht das Ausgangskennlinienfeld von 150 nm Transistoren eine maximale Stromdichte von Ids_max ~ 1,2 A/mm und verspricht damit eine hohe spezifische Mikrowellen-Leistungsdichte. Die Transistoren schüren den Kanal bei -2 V Gatespannung ab und zeigen auch bei 30 V Drainspannung kein Punch-through-Verhalten. Transistordesigns mit verschiedenen geometrischen Skalierungen des Layouts wurden systematisch untersucht, um die optimale Zellenkonfiguration für die 20 GHz Leistungsverstärker zu erhalten. Die Layouts unterscheiden sich in der Anzahl der Gatefinger pro Zelle und deren Gateweite pro Transistorfinger. Ein wichtiges Kriterium für die Auswahl der optimalen Zellen sind die Verstärkungsverluste infolge der Skalierung von Fingeranzahl oder Gateweite. Untersuchungen auf Basis von gepulsten S-Parametern zeigen bei Transistoren mit 75 µm weiten Gatefingern praktisch keine Veränderung der Kleinsignalverstärkung wenn die Anzahl der Finger zwischen 2 und 16 variiert.
Das Großsignalverhalten wurde anhand von Load-Pull-Messungen bei 20 GHz und einer Drainspannung von 28 V untersucht. Tabelle 1 fasst die Ergebnisse zusammen: Die Leistungszellen erreichen eine Mikrowellen-Leistungsdichte von mehr als 3 W/mm und bei 20 GHz sowie einen Wirkungsgrad (Power Added Efficiency, PAE) von typisch 30%. Die bei Sättigung der Ausgangsleistung noch erreichbare Verstärkung liegt im Bereich von 6 dB. Diese Werte entsprechen dem internationalen Standard. Leistungszellen mit 12 x 75 µm Fingergeometrie wurden schließlich für die 10 W K-Band-Verstärkerdesigns ausgewählt. Abb. 2 zeigt Load-Pull-Messungen an diesen Zellen. Sie erreichen eine Sättigungsleistung von 3 W, eine lineare Verstärkung von 9 dB und einen Wirkungsgrad von 30%.
Publikation:
K. Y. Osipov, S. A. Chevtchenko, O. Bengtsson, P. Kurpas, F. Brunner, N. Kemf, J. Würfl, G. Tränkle, "Current Dispersion in Short Channel AlGaN/GaN HEMTs", Int. Conf. on Compound Semiconductor Manufacturing Technology (CS ManTech 2015), Scottsdale, USA, May 18-21, pp. 269-272 (2015).