Назад
Перспективы развития СВЧ устройств на основе GaN фирмы Microsemi
На текущий момент компания Microsemi сосредоточила свои усилия на создании следующих новых СВЧ устройств и компонентов на основе GaN: мощных широкополосных и радарных транзисторов СВЧ, в том числе и Х-диапазона, и, монолитных интегральных схем СВЧ (Monolithic Microwave Integrated Circuit MMIC).
GaN-on-Diamond
Фирма Raytheon (подразделение IDS), в рамках одной из программ DARPA, произвела успешную замену подложки из SiC, на алмаз, который является более теплопроводящим материалом, что позволило в три раза увеличить плотность мощности транзисторов за счёт сорокапроцентного уменьшения температуры канала.
В Таблице 1 сравниваются электрические и тепловые свойства алмаза по сравнению с другими подложками обычно используемыми как основа GaN.
Таблица 1. Сравнение электрических и тепловых свойств
Физическое свойство | Si | GaAs | SiC | Сапфир | ХОПФ-алмаз* |
Теплопроводность,[Вт/(м*К)] | 135-150 | 35-50 | 390-450 | 35 | 1000, 1500, 2000 |
Удельное сопротивление Ом*см | ~2.3×105 | ~104-108 | ~104-106 | ~1017 | ~1013-1016 |
* ХОПФ-алмаз (CVD diamond) – алмаз, полученный химическим осаждением из паровой фазы.
Как видно из таблицы, теплопроводность алмаза почти в пять раз больше, чем у SiC. Также алмаз превосходный электроизолятор, что очень полезно при создании мощных СВЧ усилителей.
Соответственно, устройства сделанные по технологии GaN-on-Diamond могут работать при более высоких температурах окружающей среды, благодаря уменьшению теплового сопротивления между GaN каналом и подложкой или корпусом (до 40%), что приводит к существенной экономии стоимости приборов за счёт упрощения и удешевления системы охлаждения. При этом общий КПД системы и её надёжность возрастают.
Тепловое сопротивление полупроводника – очень важный параметр при разработке изделий, поскольку он определяет устойчивость системы к воздействию высокой температуры окружающей среды. В качестве примера рассмотрим два устройства (см. Таблицу 2) имеющих одну и туже температуру канала 200°C. При этом предположим, что рассеиваемая мощность 5 Вт. Также, в Таблице 2 указано, какими будут перепад температуры и температура основания при работе устройств. Другими словами, при работе первого изделия, температура окружающей среды может быть на 50°C больше.
Таблица 2. Параметры устройств
№ | Технология | Тепловое сопротивление, [°C/Вт] | Перепад температуры, [°C] | Температура основания,[°C] |
1 | GaN-on-Diamond | 10 | 50 | 150 |
2 | GaN-on-SiC | 20 | 100 | 100 |
Существенной разницей является то, что во втором случае система обеспечения тепловых режимов должна поддерживать температур не более 100°C, а в первом не более 150°C. В большинстве систем эта разница может стать определяющей. Возможно, что в первом случае хватит воздушного охлаждения, а во втором потребуется громоздкое и сложное жидкостное. Не стоит забывать и о параметрах характеризующих надёжность. Энергия активации, среднее время наработки на отказ и срок службы экспоненциально зависят от рабочей температуры.
Применение технологии GaN-on-Diamond приведёт к уменьшению соотношения $/Вт, уменьшению затрат на охлаждение и уменьшению габаритных размеров и массы, как непосредственно усилителей, так и систем в целом.
MMIC
Microsemi 29 мая 2014 года анонсировала выпуск на рынок своего нового продукта – монолитных интегральных схем СВЧ. Основанный на богатой истории создания СВЧ устройств, новый портфель первоначально включает 16 продуктов, охватывающих диапазон DC-40 ГГц, и включает широкополосные усилители, МШУ и коммутаторы, разработанные для коммуникационной и измерительной аппаратуры, оборонной и авиакосмической промышленности.
Microsemi разрабатывает микросхемы используя, как общепризнанную GaAs, так и находящуюся на стадии становления GaN полупроводниковую технологию.
В частности, новые MMIC Microsemi включают в себя:
- широкополосный усилитель MMA001AADC-20 ГГц с коэффициентом усиления 17 дБ при 20 ГГц;
- SPDT переключатель MMS002AAс развязкой 45 дБ в полосе частот DC-20 ГГц.
- усилитель MMA016AA, работающий в полосе DC-15 ГГц, у которого в зависимости от выходной мощности можно регулировать потребление в соответствии с требованиями в конкретном приложении.
“Максимальное использование богатого опыта и возможностей Microsemi на рынке позволило нам работать в тесном взаимодействии с ведущими в отрасли заказчиками, для того чтобы создавать и развивать продукты, которые помогают решать проблемы инженеров новыми творческими путями”, сказал Рэй Крэмптон (Ray Crampton), директор по развитию продуктовой линейки MMIC. “Отзывы о наших первых MMIC были исключительно положительными, и мы продолжаем работать над расширением нашего предложения новыми разработками, как с применением GaAs технологии, так и GaN-on-SiC.»