迈向高效的星载毫米波发射器

通过Kassiopeia项目，一个欧洲团队正在开发基于铱溅射栅极和新型缓冲层技术的高效微波和毫米波放大器。

作者：OACHIM WÜRFL 来自柏林 FERDINAND-BRAUN-INSTITUT

在过去的十多年里，用于微波应用领域的GaN晶体管和微波/毫米波单片集成电路（MMIC）的成熟度有了显著的提高。这方面的改进反映在技术水平上，工程师们现在可以将这些器件应用到关键系统中。

在空间应用中部署分散的微波功率源是这方面应用的一个典型案例。在这种情况下，GaN器件的使用为轻型电子控制波束控制系统打开了大门，这些系统由许多像素的有源天线供电。

此类系统的设计者需要考虑使用GaN的利弊，GaN的优势主要体现在灵活性和轻量，但其在效率方面有一定的局限性。为了解决这个缺点，将现有技术出发，从半导体衬底、外延、器件工艺、电路设计到系统实现的整个环节进行优化是非常重要的。

我们的团队正在通过一个名为Kassiopeia的项目来研究这种方法，该项目于2021年3月1日开始实施，Kassiopeia是Ka波段MMIC的首字母缩写，使用新的外延、工艺和电路概念实现高效的GaN和AlN器件。我们获得了欧洲航天局的支持，在欧洲Ka波段有源天线高功率固态技术的ARTES先进技术倡议的框架内。

为了实现我们的项目目标，我们正在借鉴几个欧洲合作伙伴的专业知识。只有通过合作和随后优化包含许多不同技术的器件，我们才能开发出高效的微波和毫米波放大器。我们的目标是解决自热效应问题，以及静态和动态损耗机制，因为它们会对功率放大器效率产生不利影响。

不同的角色

我们项目的一个关键合作伙伴是外延晶圆供应商SweGaN。该公司以制造用于毫米波晶体管的GaN外延堆栈结构而闻名。这些堆栈的特点是显著降低了器件中的热源和散热器之间的热阻，并基于专有的外延结构，可使色散动态效应降至最低。这是一个专有的无缓冲外延方法的优点，它确保了半绝缘SiC衬底的高效散热。

费迪南德-布劳恩研究所(FBH)在Kassiopeia中也扮演着重要的角色。在GaN射频器件方面，其独特点是其铱溅射栅极技术，该技术将动态损耗(即栅极滞后)降低到仅5%。这一底的损耗值至少是相关机构的一半。其他属性包括高可靠性，这对星载器件尤其重要。更重要的是，FBH在GaN MMIC设计、工艺和电路表征方面拥有良好的记录，这些测试都是欧洲设备最好的实验室之一进行的。

Kassiopeia项目的另一个关键参与者是布里斯托大学的团队。他们拥有丰富的热模拟经验，同时拥有对有源GaN FET中热源温度分布的直接测量的技术。

Kassiopeia的总体目标是全面提高Ka波段MMIC的效率、功率密度、线性度和可靠性。成功将来自于对当前技术的进行系统分析，来提高器件效率、线性度和毫米波功率密度等参数。

追逐目标

一些寄生效应仍然限制着基于GaN的MMIC的性能（最重要的寄生效应概述见图1）。 通过Kassiopeia，我们将开发和完善创新的技术概念，以减少寄生效应，并将其与新的MMIC设计概念相结合。我们的目标是展示GaN基MMIC，在跨越17.3 GHz至20.2 GHz的频段内工作，功率水平高达43 dBm，同时提供50 %的功率附加效率和15 dB的噪声功率比。

图1. 通过Kassiopeia项目，一个欧洲合作组织正在追求整体的技术改进，旨在实现高功率、高效的Ka波段晶体管和放大器。

我们的开发得到了创新加工设备和先进表征工具的大力支持，这些设备和工具可在FBH获得，这要归功于德国微电子研究院（Research Fab Microelectronics Germany–FMD）框架内的资金支持。在进行这些开发时，我们考虑了将我们的技术转移到欧洲一家GaN制造厂的可能性。

Kassiopeia内部正在进行大量的技术努力，以减少寄生电阻并增加位于器件通道区的热源与SiC衬底之间的热耦合。所有的优化工作都涉及到FBH的4英寸GaN Ka波段工艺线，采用铱溅射栅极技术（见图2）。

图2. X和Ka波段MMIC的FBH基线技术：(左)150 nm栅极，使用铱溅射技术完全共形覆盖栅沟槽；(右)采用源连接场板的空气桥式X波段功率单元。

在开发高性能微波功率放大器时，降低晶体管膝电压是至关重要的，因为这确保了器件提供的负载线的有效利用。对于高度缩放毫米波器件，总导通电阻可能由源极和漏极欧姆接触的转移电阻决定。为了最小化该电阻，需要降低欧姆接触电阻、源极和漏极之间的方块电阻以及总方块电阻(参见图1)。

影响接触电阻的因素包括接触的合金，以及其下方半导体材料的质量、掺杂和带隙能量。为了尝试调整接触电阻，我们正在研究通过局部离子注入增加 AlGaN 势垒掺杂的影响。注入后，我们沉积并激活耐高温欧姆接触电极，其具有极其精确的边缘敏锐度。由于这个属性，我们降低了通道薄层电阻对总源电阻的贡献，从而进一步降低了膝电压。

对金属栅条也进行了改进。我们正在努力提高其导电性，因为这将使毫米波单元的设计更加灵活和高效。为每个单元模块引入更长的栅指——这可以减少更多扩展单元模块的锥形损耗。为了探索这种可能性，我们正在开发一种寄生电容贡献相对较低的高深宽比栅极金属化。其关键是创新的电镀技术，利用 FBH 的溅射铱栅极工艺临时提供电镀基底。

图3. GaN微波晶体管标准外延方法与Swegan提出的QuanFINE概念的比较

确保有效的功率放大和可靠的器件运行取决于晶体管热源和 SiC 衬底之间的热阻的降低。为了优化从器件到衬底的热传递，我们采用了SweGaN的 QuanFINE缓冲技术。该平台能够直接生长高结晶质量的外延叠层，在薄的 AlN 成核层顶部具有GaN通道（参见图 3，该方法与传统方法之间的比较）。使用 QuanFINE缓冲技术的优点不仅限于其非常好的热耦合。而且，AlN背势垒可有效地将电子限制在沟道中，从而提高给定栅漏距离的击穿电压。我们很快就会看到，最终的结果将是设计出具有更高功率密度的晶体管。

把所有优势汇聚在一起

我们将使用所有讨论的技术来实现创新的功率模块的设计。这将使我们能够将更大的栅极外围集成到一个晶体管单元中，从而提高相应的功率水平和功率密度。最终，这将导致更高的放大器总功率，以及更大的线性度和带宽。

更高功率密度的一个缺点是它会加剧局部热量的产生。因此，必须考虑散热问题。在 Kassiopeia 项目中，我们正在做这方面的探索研究，布里斯托大学的研究人员带头并提供了对单元模块热设计的深刻见解。工作涉及热模拟，以及使用可提供亚微米空间分辨率的微拉曼技术将这些结果与热特性进行关联（参见图 4）。

图4. 利用微拉曼技术扫描晶体管内部热源分布。该技术可以从器件的顶部进行扫描测量，也可以通过打开的背面金属化从底部进行扫描测量。

布里斯托尔的团队使用聚焦激光束从顶部或底部通过背面金属的窗口对器件进行扫描。后一种方向可以对场镀器件进行热器件表征。无论采用哪种几何形状进行测量，微拉曼特性都可以提供晶体管热源的精确反映。这使器件技术和布局的任何修改的热指纹都可以直接显示出来。通过采用这种方法，热建模基础得到迭代改进，最终将会设计出良好的 Ka-band 功率模块。

为了在电路级别优化目标功率MMIC，我们的合作重点是进行低损耗的组合，以及F类、F-1类和J类等高效、谐波调谐放大器概念的实施。这些概念提供了适当的谐波终止，并通过在晶体管中建立零电压交叉条件显著降低了晶体管损耗。一旦这些新的功率模块经过优化，它们将被建模并应用到最终的MMIC中，所有改进都将在FBH的专业4英寸工艺和测试环境中实现、测试和表征。

通过这些努力，Kassiopeia将解决Ka波段器件改进中的最重要方面。当成功之后，它将提供一条通往高效率的星载毫米波通信系统的途径，这种通信系统特别适合未来的波束控制应用。

欧洲航天局 (ESA) 在 ARTES 先进技术倡议框架内支持 Kassiopeia，该倡议涉及用于有源天线的欧洲 Ka 波段高功率固态技术 (https://artes.esa.int/news/artes-advanced-技术工作计划）。

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