eng
Выпуск #8/2004
В.Майская.
Высокочастотные полупроводниковые приборы. Не кремнием и арсенидом галлия единым
Высокочастотные полупроводниковые приборы. Не кремнием и арсенидом галлия единым
Просмотры: 4090
Благодаря постоянному совершенствованию исходных материалов и технологических процессов характеристики ВЧ-приборов и микросхем достигают все более высоких уровней. Несколько десятилетий назад ВЧ-полупроводниковые приборы изготавливались исключительно на кремниевых пластинах. Сегодня арсенидгаллиевая технология настолько отработана, что GaAs-приборы находят не только военное, но и коммерческое применение. А компоненты на базе нитрида галлия и фосфида индия прочно завоевывают такие ниши рынка, как мощные ВЧ-транзисторы для систем WCDMA-стандарта и транзисторы сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Но и кремниевая технология не стоит на месте, она усовершенствована настолько, что транзисторы на этом материале вторгаются в “вотчину” арсенидгаллиевых устройств. Набирают силы и “отпрыски” традиционного кремния – кремний-германий и карбид кремния.]
Сегодня свои изделия на рынок полупроводниковых ВЧ-приборов поставляют около 40 фирм (табл.1). Стимулируемые стремительным развитием систем Bluetooth-стандарта, мобильной связи, беспроводных локальных сетей, средств ВЧ-индетификации (RFID), производители предлагают самый широкий ассортимент ВЧ-устройств – от малосигнальных малошумящих и мощных транзисторов до однокристальных микросхем радиоприемных устройств, передатчиков и приемопередатчиков. Хотя компании с собственным производством разрабатываемых изделий по-прежнему процветают, стремительно растет число фирм, занимающихся только разработкой микросхем (fables) и передающих их производство кремниевым заводам (foundries). При этом усилия многих компаний-разработчиков направлены на освоение разнообразных новых технологий изготовления ВЧ- и СВЧ-устройств. Например, в исследовательские программы фирмы Hittite Microwave (www.hittite.com), образованной бывшими инженерами компании Raytheon, входит создание ВЧ-приборов и монолитных СВЧ-микросхем (MMIC) на GaAs, InGaP/GaAs, InP, SOI и SiGe. Одна из последних разработок компании, переданная для производства кремниевому заводу, – серия широкополосных квадратурных модуляторов и блоков усиления на диапазоны частот 250–800 МГц и 4–7 ГГц, выполненных на SiGe-биполярных гетеротранзисторах (НВТ) и смонтированных в корпус для поверхностного монтажа размером 3x3 мм. Модулятор типа HMC495LP3 на более низкий диапазон частот рассчитан на применение в GSM, CDMA, WCDMA, WLL-системах, модулятор типа HMC496LP3 на более высокие частоты предназначен для WLAN-систем IEEE 802.11 стандарта и СВЧ-радиоприемных устройств.
Недавно образованная фирма Centellax (www.centellax.com) передала кремниевому заводу изготовление созданного ее специалистами синтезатора частоты с дробным значением коэффициента деления N (Fractional-N synthesizer) (рис.1). Блок широкополосных генераторов, управляемых напряжением (ГУН), входящий в микросхему синтезатора, выполнен на SiGe НВТ с предельной частотой до 300 ГГц, тогда как остальные аналоговые и цифровые блоки синтезатора сформированы по традиционной КМОП-технологии. Синтезатор способен генерировать частоту до 30 ГГц с шагом до 25 кГц.
Выходная мощность синтезатора составляет +5 дБм, время перестройки частоты – около 1 мкс. Микросхема предназначена для перестраиваемых гетеродинов, используемых в цифровых радиостанциях; для РЛС с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией; генераторов сигналов контрольно-измерительной аппаратуры; тактовых генераторов с регулировкой частоты для оптических систем связи.
Современные SiGe-приборы успешно конкурируют с СВЧ GaAs-устройствами, предназначенными для беспроводных систем связи, работающих при достаточно низких значениях напряжения и выходной мощности. В результате число компаний, выпускающих SiGe-приборы, непрерывно растет. Помимо разработчика SiGe-технологии – компании IBM – и фирмы SiGe Semiconductors, одной из первых обратившихся к этой технологии, SiGe-приборы сегодня создают и выпускают Atmel, Hittite Microwave, IceFyre, Infineon Technologies, Inphi, Intersil, Maxim Integrated Products, Sirenza Microdevices и RF Micro Devices.
Расположенная в Оттаве компания-разработчик SiGe Semiconductors (www.sige.com) в начале этого года сообщила о создании серии двухкаскадных усилителей мощности (УМ) для сотовых телефонов IS-95 и CDMA-систем, работающих в частотном диапазоне 824–849 МГц. Линейность усилителей типа SE5103, SE5106 и SE5107, выполненных по SiGe БиКМОП-технологии, не превышает -50 дБс при пиковой выходной мощности +28 дБм, КПД суммирования мощности превышает 41%. Микросхема серии выдерживает электростатический разряд до 2 кВ. Кроме того, в ней предусмотрены схемы обеспечения устойчивости к рассогласованию. В результате усилитель надежно работает при КСВН 10:1. Каждый усилитель содержит внутрисхемный цифровой или аналоговый блок управления смещением, детектор мощности, 2,8-В стабилизатор напряжения, блоки согласования и настройки высших гармоник. Все это позволяет избавиться от ряда внешних компонентов, в том числе от стабилизатора напряжения и детектора выходного сигнала (рис.2). Поскольку ослабление мощности по соседним каналам не превышает 2 дБ, а рассогласование КСВН составляет 4:1, развязки между усилителем мощности и малошумящим усилителем не требуется. По оценке разработчиков, благодаря этим особенностям применение усилителя мощности новой серии в сотовых телефонах позволит экономить до 3 долл. на каждом.
Микросхемы усилителей поставляются в QFN-корпусах со стандартным расположением выводов, благодаря чему могут непосредственно заменять ранее установленные устройства и тем самым обеспечить экономию при модернизации оборудования. В каждой герметизированной микросхеме предусмотрены раздельные выводы для сигналов управления и сигналов усилительных ячеек, что позволяет регулировать значение VCC до 0,8 В. В дежурном режиме потребляемый ток составляет 2 мкА. Усилитель типа SE5103 содержит цифровой блок управления смещением и поставляется в корпусе размером 4х4х0,9 мм по цене 0,8 долл. при закупке партии в 100 тыс. шт. Усилители SE5106 и SE5107 поставляются в корпусе размером 3х3х0,9 мм с цифровым и аналоговым блоками управления, соответственно, по цене 0,85 долл. в такой же партии.
Одна из последних разработок SiGe Semiconductors – УМ на частоту 5 ГГц семейства RangeCharger, предназначенный для PCMCIA-карт, карманных компьютеров и устройств 802.11a/b/g стандарта. В трехкаскадный усилитель типа SE2534A входят детектор мощности, аналоговая схема подачи смещения и межкаскадные блоки согласования. Выходная мощность модуля – 17,5 дБм при токе 160 мА и амплитуде вектора ошибок менее 3%, благодаря чему снижается частота появления ошибок при передаче пакета данных и одновременно обеспечивается максимальная пропускная способность канала и максимальная дальность передачи. Поставляется модуль в стандартном промышленном 10-выводном корпусе LGA- типа размером 5х5 мм, совместимом по разъемам с корпусами УМ, используемых в 802.11а оборудовании. Стоимость при закупке партии в 100 тыс. шт. – 1,93 доллара.
Многие фирмы создают SiGe-приборы на основе собственной технологии. Так, Infineon с помощью разработанного SiGe-процесса формирования 70-ГГц приборов создала npn-транзисторы для WLAN-систем. Коэффициент шума транзисторов типа BFP640 и BFP650 составляет 0,65 дБ на 1,8 ГГц и 1,3 дБ на 6 ГГц, соответственно, что сопоставимо с этим параметром GaAs-приборов.
Самый известный изготовитель, разработавший SiGe-технологию и предоставляющий услуги по производству устройств на ее основе, – компания IBM – располагает разнообразными процессами, отработанными под конкретные приборы. Так, для изготовления НВТ, используемых во многих схемах беспроводных систем связи, перспективен 0,18-мкм процесс BiCMOS 7HP, позволяющий формировать самосовмещенные эмиттеры, мелкие и глубокие изолирующие канавки и транзисторы с предельной частотой до 120 ГГц. Хорошо знаком фирмам-разработчикам и такой полупроводниковый завод, как Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC).
Мощные SiGe-приборы пока встречаются редко. Можно упомянуть созданный специалистами сектора электронных датчиков и систем компании Northrop Grumman (www.es.northropgrumman.com) мощный SiGe-транзистор для РЛС управления воздушным транспортом. Коэффициент усиления НВТ типа WPTB48F2729C составляет 7 дБ в диапазоне частот 2,7–2,9 ГГц при КПД цепи коллектора 46%. В усилителях класса С при включении по схеме с общей базой выходная мощность транзистора превышает 180 Вт при подаче на вход импульсов длительностью 60 мкс с коэффициентом заполнения 6%.
Но хотя кремний-германий и пригоден для изготовления мощных компонентов, разработчиков приборов этого класса больше привлекает карбид кремния. Серьезную поддержку разработке SiC-технологии оказывает Исследовательский центр Гленна НАСА. Серию мощных полевых транзисторов с затвором Шоттки выпустила в конце 2003 года компания Rockwell Scientific (www.rockwellscientific.com) – ведущий разработчик ВЧ- и СВЧ-приборов на SiC. Коэффициент усиления транзистора, рассчитанного на частоту отсечки 3,6 ГГц, составляет 12 дБ на 2 ГГц, минимальная выходная мощность – 25 Вт. КПД стока достигает 40% при напряжении VDC 50 В и токе 1200 мА. Интермодуляционное искажение третьего порядка (IМ3) в среднем равно -30 дБс. Транзисторы предназначены для CDMA- и WCDMA-систем.
Мощные SiC-полевые транзисторы выпускает и компания Cree Microwave (www.cree.com) – поставщик SiC-пластин и производитель (foundry) SiC монолитных СВЧ-микросхем. Минимальная выходная мощность полевого транзистора с затвором Шоттки типа CRF24060-101 на частоте 2 ГГц составляет 50 Вт при компрессии 1 дБ, минимальный коэффициент усиления на малом сигнале на той же частоте – 13 дБ. Рабочая частота транзистора – 2,7 ГГц. КПД стока транзистора – 45% при напряжении питания 48 В и токе 250 мА, IМ3 равно -31 дБс. Несмотря на высокую выходную мощность прибора, минимальный коэффициент шума его мал – 3,1 дБ. Транзисторы предназначены для широкополосных военных систем связи, усилителей класса А, АВ, а также TDMA-, EDGE-, CDMA- и WCDMA-систем.
Внимание разработчиков мощных ВЧ- и СВЧ-устройств все больше привлекает нитрид галлия, позволяющий в сравнении с другими полупроводниковыми материалами достичь большую плотность мощности и высокий КПД приборов, а также обеспечивающий минимальное искажение сигнала. Правда, пока GaN-транзисторы в основном находятся на стадии исследований. Но разработка их ведется в более чем 100 исследовательских организациях, в том числе и специалистами таких важнейших подрядчиков Министерства обороны США, как отделение информационных и электронных систем военного назначения компании BAE Systems (www.baesystems.com) и сектор электронных датчиков и систем компании Northrop Grumman. Развитие GaN-технологии сдерживается высокой стоимостью исходных пластин, диаметр которых равен всего 50 мм (против 150 и 300 мм для пластин арсенида галлия и кремния, соответственно). Тем не менее, в конце 2003 года фирма Triquint Semiconductor (www.triquint.com) и крупный военный подрядчик Lockheed Martin объявили о разработке мощного GaN-транзистора с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Плотность мощности транзистора составляет 11,7 Вт/мм, выходная мощность – +34 дБм, коэффициент усиления на слабом сигнале – 9,83 дБ и КПД суммирования мощности – более 50% (к сожалению, частота не указывается).
Перспективным рынком для мощных GaN-приборов должны стать беспроводные системы связи третьего поколения (3G-системы). В 2003 году были достигнуты определенные успехи в области увеличения плотности мощности и выходной мощности GaN-усилителей, приблизивших разработчиков к выполнению жестких требований, выдвигаемых такими системами. Согласно этим требованиям, выходная мощность усилителей должна составлять 150 Вт при рабочем напряжении 48 В. Именно поэтому усилия разработчиков направлены на создание транзисторов с напряжением стока более 50 В. И в декабре 2003 года компания Cree Microwave объявила о разработке GaN-полевого транзистора для УМ на подложке карбида кремния с плотностью выходной мощности 32 Вт/мм и КПД суммирования мощности 55% на частоте 4 ГГц. На частоте 8 ГГц плотность выходной мощности составляет 30 Вт/мм при КПД 50%. Напряжение смещения стока достигает 120 В. Работа частично финансировалась Управлением исследований ВМС и Управлением перспективных разработок МО (DARPA).
УМ на нитриде галлия для WCDMA-систем создан и на фирме NEC (www.nec.com). Его рабочая частота – 2,1 ГГц, выходная мощность – 150 Вт, КПД суммирования мощности – 54%, напряжение стока – 63 В. Правда, чтобы такие GaN-приборы появились на рынке, необходимо решить проблему обеспечения их надежности. Достижение плотности мощности 30 Вт/мм ничего не дает, если характеристики усилителя быстро деградируют.
Выпуск AlGaN/GaN-полевых гетеротранзисторов (HFET) для мобильных систем связи третьего поколения готова начать относительно новая компания, образованная в 1999 году выпускниками Университета шт. Северная Каролина, – Nitronex (www.nitronex.com). Особенность этих приборов – изготовление по запатентованной компанией технологии, названной SIGANTIC и позволяющей выращивать высококачественный нитрид галлия на кремниевых пластинах диаметром 100 мм. Испытания HFET с периферией затвора 72 мм (длина затвора 0,7 мм) при рабочем токе 2 А и напряжении стока 28 В показали, что коэффициент усиления на малом сигнале равен 16,3 дБ, КПД стока – 62%, выходная мощность в режиме насыщения – 138 Вт. Это рекордное значение мощности для GaN-приборов на кремниевой подложке, работающих при напряжении стока 28 В. Результаты проведенных высокотемпературных испытаний позволили оценить жизненный цикл таких приборов в 20 лет.
В ноябре 2003 года Nitronex начала поставки опытных образцов мощных AlGaN/GaN HFET на напряжение стока +28 В с выходной мощностью свыше 10 (модель N10) и 20 Вт (модель N20). Коэффициент усиления транзисторов в диапазоне частот 1,8–2,2 ГГц составляет 11,5 дБ при среднем КПД 25%. В ближайшем будущем фирма намерена выпустить приборы на напряжение 36 Вт. В начале 2005 года планируется освоить и выпуск коммерческих приборов.
Таким образом, в связи с развитием беспроводных 3G-систем сотовой связи GaN-приборы сейчас представляют собой серьезную угрозу широко используемым в УМ базовых станций МОП-транзисторам, изготавливаемым методом боковой (горизонтальной) диффузии – LDMOS. Помимо обеспечения высокой мощности (табл.2), к важным достоинствам GaN-транзисторов следует отнести повышение надежности и КПД, а также возможность работы при высоких температурах, что позволит уменьшить габариты УМ-модуля за счет отказа от средств охлаждения. К тому же, замена GaN-транзисторами LDMOS-приборов позволит обойтись одним транзистором там, где раньше применялись два, что значительно упростит согласование (и, возможно, снизит стоимость) приборов.
Но GaN-транзисторы появятся на рынке в 2005 году, а применяться в аппаратуре очевидно начнут лишь с середины 2006-го. К тому же, для обеспечения конкурентоспособности своих изделий производители пока будут вынуждены продавать GaN-приборы в ущерб себе.
Поэтому сейчас на долю LDMOS приходится примерно 90% рынка транзисторов для УМ базовых систем сотовой связи (остальные – на долю GaAs-приборов и незначительная часть – на долю традиционных биполярных транзисторов). И хотя теоретически LDMOS – не лучшая технология для выполнения УМ 3G-систем связи, изменить сложившуюся ситуацию будет нелегко. Постоянное совершенствование этих приборов несомненно способствует сохранению ими прочных позиций на рынке. Пример совершенствования LDMOS-технологии – транзисторы пятого поколения компании Philips (www.philips.com), занимающей второе, после Motorola, место на рынке мощных приборов для базовых станций сотовых систем.
На Международном симпозиуме по микроволновой технологии 2004 года компания Philips Semiconductor демонстрировала мощный LDMOS-транзистор для WCDMA-систем типа BLF5G22-100 с коэффициентом усиления 17 дБ (против стандартного сейчас значения 14–15 дБ), ослаблением мощности по соседнему каналу
-39 дБс, КПД 30% при среднем значении выходной мощности 26 Вт и с пиковой выходной мощностью 160 Вт. Изготовлены транзисторы по 0,14-мкм КМОП-технологии с четырехслойной металлизацией на основе пленок алюминия–меди. Замена применявшейся ранее золотой металлизации системой на основе алюминия–меди большей толщины позволила увеличить температуру перехода со 160°С (для приборов с металлизацией золотом) до 185°С и, тем самым, в четыре раза улучшить надежность приборов (немаловажный фактор для УМ), а также снизить тепловое сопротивление с 0,76 до 0,5 К/Вт. И хотя уже появились LDMOS-транзисторы с еще меньшим тепловым сопротивлением (0,35 К/Вт при выходной мощности 180 Вт для транзистора компании Agere Systems), разработчики Philips утверждают, что низкое тепловое сопротивление в сочетании с рекордными значениями КПД и коэффициента усиления дает транзистору пятого поколения существенное преимущество. Намного уменьшены значения паразитных параметров транзисторов. Высокий коэффициент усиления позволяет конструкторам УМ сократить число усилительных каскадов и тем самым снизить затраты на реализацию проектируемого устройства.
Philips планировала выпустить транзисторы пятого поколения на рынок в конце 2004 года, с тем чтобы уже в середине 2005-го разработчики могли реализовать аппаратуру на их основе. Новая технология передана заводу по производству современных КМОП-микросхем, который сможет освоить 0,14-мкм технологию. По этой технологии, по-видимому, будут изготовлены LDMOS следующего поколения.
Значительных успехов в совершенствовании LDMOS-транзисторов достигли и компании Infineon (www.infenion.com) и STMicroelectronics (www.st.com/rf), занимающие совместно третье место на рынке компонентов для базовых станций сотовых систем. Так, выходная мощность в непрерывном режиме LDMOS-транзисторов семейства GOLDMOS нового поколения типа PTFA211001E компании Infineon на частоте 2,1 ГГц составляет 100 Вт при компрессии 1 дБ, усиление – 16,4 дБ, КПД – 57%, напряжение питания – 28–30 В. В двухканальной 3GPP WCDMA-системе средняя выходная мощность транзистора составляет 22 Вт, коэффициент усиления – 16,5 дБ, КПД – 30%, ослабление мощности по соседнему каналу – менее –42 дБс, IM3 равны -37 дБс.
Еще один серьезный конкурент LDMOS-транзисторам в области УМ для следующего поколения беспроводных систем связи – GaAs-приборы. Как показали исследования компании PA Consulting Group (Великобритания), LDMOS целесообразно применять в устройствах, работающих в стабильных условиях и в ограниченном диапазоне мощностей, что приемлемо для GSM-систем. В базовых станциях WCDMA-систем выходная мощность зависит от трафика и, следовательно, УМ на LDMOS не всегда смогут работать в зоне наилучшего восприятия. Для таких систем более приемлемы GaAs-транзисторы.
Арсенидгаллиевые транзисторы (в основном НВТ) доминируют и на рынке УМ для телефонов мобильных систем связи: на их долю в 2003 году приходилось 47,1% рынка. В этом секторе рынка лидируют три компании – RF Micro Devices, Skyworks и Renesas (образована в 2003 году фирмами Hitachi и Mitsubishi), на долю которых приходится 80% продаж.
Приборы на хорошо отработанном материале – арсениде галлия и фосфиде индия – занимают прочные позиции и в области приборов миллиметрового диапазона. И здесь все больший вес приобретают фирмы-производители (foundries). Можно отметить Velocium (www.velocium.com) – ранее отделение фирмы TRW, а теперь компания, входящая в концерн Northrop Grumman. Velocium разрабатывает и производит НЕМТ с минимальными размерами элементов 0,1 мкм как на арсениде галлия, так и на фосфиде индия. Граничная частота транзисторов – 120 и 180 ГГц, соответственно. Недавно компания объявила о создании двухкаскадного GaAs-усилителя для двухточечных цифровых радиостанций, рассчитанных на частоту 18, 23 и 28 ГГц. Коэффициент усиления прибора составляет 17 дБ, выходная мощность в режиме насыщения – 1 Вт.
Высокими темпами развития характеризуются и GaAs-монолитные миросхемы По данным исследовательской фирмы Strategy Analytics, совокупные темпы прироста рынка GaAs-мощных усилителей составят 16% и к 2006 году продажи их будут равны 0,77–1,2 млрд. долл. К числу последних достижений в области GaAs-приборов относится монолитная микросхема усилителя средней мощности на базе псевдоморфных НЕМТ, работающих в обогащенном режиме (E-pHEPT), модели MGA-425P8 фирмы Agilent Technologies (www.semiconductor.agilent.com). Микросхема предназначена для применения в качестве задающего устройства в беспроводных системах связи, рассчитанных на частоту до 10 ГГц, т. е. в беспроводных локальных сетях IEEE 802.11a стандарта; в не имеющих лицензии национальных информационных инфрастуктурах на частоту 5 ГГц; беспроводных локальных сетях 802.11g/b стандартов, работающих в диапазоне частот 2,4 ГГц, выделенном для промышленных, научных и медицинских систем (ISM), и в беспроводных локальных сетях, беспроводных телефонах на частоту 2,4 и 5,8 ГГц.
При частоте 5,25 ГГц , напряжении питания 3 В и потребляемом токе 58 мА выходная мощность микросхемы при амплитуде вектора ошибок 5% составляет 13,3 дБм, КПД суммирования мощности – 10,3%, выходная мощность при компрессии 1 дБ – 20,3 дБм, коэффициент усиления – 16 дБ, коэффициент шума – 1,7 дБ, КСВН при выходном сопротивлении 50 Ом – 2:1. Следует отметить, что несмотря на низкий потребляемый ток, микросхема удовлетворяет всем требованиям беспроводных локальных сетей к линейности. Необходимое смещение задается внешним резистором, а благодаря функции “разумного смещения” линейность IP3 можно регулировать в пределах 20–35 дБм путем изменения сопротивления внешнего резистора. Это позволяет использовать микросхему в различных блоках одной и той же системы.
Монтируется микросхема в стандартный промышленный безвыводной восьмиконтактный корпус типа DRP-N LPCC размером 2х2х0,75 мм. При закупке партиями от 5,5 тыс. до 14,5 тыс. шт. цена микросхемы равна 1,73 долларов.
В последнее время все больше внимания уделяется СВЧ-приборам на основе фосфида индия – материала с прямой запрещенной зоной, высокими подвижностью электронов и пробивным напряжением. К тому же, фосфид индия – единственный материал, на основе которого можно изготовить приборы, генерирующие, модулирующие, усиливающие и принимающие световое излучение на длинах волны 1,55 и 1,3 мкм, т.е. на длинах волн, используемых в телекоммуникационных системах на основе одномодовых оптических волокон. Поэтому по мере расширения возможностей ОС-192 систем со скоростью передачи 10 Гбит/с и разработки ОС-178 систем со скоростью 40 Гбит/с разработчики телекоммуникационного оборудования с целью снижения его стоимости, очевидно, вынуждены будут обратиться к новым материалам, в том числе и к фосфиду индия. Возможности этой технологии демонстрирует созданный недавно компанией Vitesse Semicoductor биполярный НВТ второго поколения, изготавливаемый методом двойной диффузии. Его предельная частота превышает 300 ГГц, а напряжение пробоя составляет 4,5 В. Достоинство нового прибора – возможность изготовления на пластинах диаметрам 100 мм по технологии с четырехслойной металлизацией, близкой к КМОП-технологии. Новый НВТ использовался разработчиками компании BAE Systems в цифровом синтезаторе частоты с рекордной рабочей частотой 152 ГГц.
Работы компании Vitesse совместно с BAE Systems и Университетом шт. Иллинойс финансировались DARPA.
Одна из основных проблем технологии приборов на InP – сложность интеграции оптических и электронных элементов. Сейчас на кристалле с цифровыми устройствами пока удалось объединить лишь pin-детектор, да и то малой дальности действия. Конечно, лет через десять появятся фосфидиндиевые микросхемы с сложными pin-детекторами, объединенными с усилителем напряжения, управляемым током, схемами модуляции и управления. А пока… Интерес представляет подход фирм Inphi (разработчика InP-приборов) и Broadcom (занимающейся созданием КМОП-устройств), предложивших использовать два чипсета – на InP для входных блоков и КМОП для выходных блоков.
Какой бы ни был выбран подход, победителем станет компания, которая сумеет раньше других объединить основные элементы системы на одном кристалле. И, по-видимому, этого можно ожидать через два-три года.
Microwaves & RF, Feb. 2004.
Материалы фирм Agilent Technologies, Centellax, Infineon, STMicroelectronics, SiGe Semiconductor, Hittite Microwave, Velocium, Vitesse Semiconductor и других.
Недавно образованная фирма Centellax (www.centellax.com) передала кремниевому заводу изготовление созданного ее специалистами синтезатора частоты с дробным значением коэффициента деления N (Fractional-N synthesizer) (рис.1). Блок широкополосных генераторов, управляемых напряжением (ГУН), входящий в микросхему синтезатора, выполнен на SiGe НВТ с предельной частотой до 300 ГГц, тогда как остальные аналоговые и цифровые блоки синтезатора сформированы по традиционной КМОП-технологии. Синтезатор способен генерировать частоту до 30 ГГц с шагом до 25 кГц.
Выходная мощность синтезатора составляет +5 дБм, время перестройки частоты – около 1 мкс. Микросхема предназначена для перестраиваемых гетеродинов, используемых в цифровых радиостанциях; для РЛС с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией; генераторов сигналов контрольно-измерительной аппаратуры; тактовых генераторов с регулировкой частоты для оптических систем связи.
Современные SiGe-приборы успешно конкурируют с СВЧ GaAs-устройствами, предназначенными для беспроводных систем связи, работающих при достаточно низких значениях напряжения и выходной мощности. В результате число компаний, выпускающих SiGe-приборы, непрерывно растет. Помимо разработчика SiGe-технологии – компании IBM – и фирмы SiGe Semiconductors, одной из первых обратившихся к этой технологии, SiGe-приборы сегодня создают и выпускают Atmel, Hittite Microwave, IceFyre, Infineon Technologies, Inphi, Intersil, Maxim Integrated Products, Sirenza Microdevices и RF Micro Devices.
Расположенная в Оттаве компания-разработчик SiGe Semiconductors (www.sige.com) в начале этого года сообщила о создании серии двухкаскадных усилителей мощности (УМ) для сотовых телефонов IS-95 и CDMA-систем, работающих в частотном диапазоне 824–849 МГц. Линейность усилителей типа SE5103, SE5106 и SE5107, выполненных по SiGe БиКМОП-технологии, не превышает -50 дБс при пиковой выходной мощности +28 дБм, КПД суммирования мощности превышает 41%. Микросхема серии выдерживает электростатический разряд до 2 кВ. Кроме того, в ней предусмотрены схемы обеспечения устойчивости к рассогласованию. В результате усилитель надежно работает при КСВН 10:1. Каждый усилитель содержит внутрисхемный цифровой или аналоговый блок управления смещением, детектор мощности, 2,8-В стабилизатор напряжения, блоки согласования и настройки высших гармоник. Все это позволяет избавиться от ряда внешних компонентов, в том числе от стабилизатора напряжения и детектора выходного сигнала (рис.2). Поскольку ослабление мощности по соседним каналам не превышает 2 дБ, а рассогласование КСВН составляет 4:1, развязки между усилителем мощности и малошумящим усилителем не требуется. По оценке разработчиков, благодаря этим особенностям применение усилителя мощности новой серии в сотовых телефонах позволит экономить до 3 долл. на каждом.
Микросхемы усилителей поставляются в QFN-корпусах со стандартным расположением выводов, благодаря чему могут непосредственно заменять ранее установленные устройства и тем самым обеспечить экономию при модернизации оборудования. В каждой герметизированной микросхеме предусмотрены раздельные выводы для сигналов управления и сигналов усилительных ячеек, что позволяет регулировать значение VCC до 0,8 В. В дежурном режиме потребляемый ток составляет 2 мкА. Усилитель типа SE5103 содержит цифровой блок управления смещением и поставляется в корпусе размером 4х4х0,9 мм по цене 0,8 долл. при закупке партии в 100 тыс. шт. Усилители SE5106 и SE5107 поставляются в корпусе размером 3х3х0,9 мм с цифровым и аналоговым блоками управления, соответственно, по цене 0,85 долл. в такой же партии.
Одна из последних разработок SiGe Semiconductors – УМ на частоту 5 ГГц семейства RangeCharger, предназначенный для PCMCIA-карт, карманных компьютеров и устройств 802.11a/b/g стандарта. В трехкаскадный усилитель типа SE2534A входят детектор мощности, аналоговая схема подачи смещения и межкаскадные блоки согласования. Выходная мощность модуля – 17,5 дБм при токе 160 мА и амплитуде вектора ошибок менее 3%, благодаря чему снижается частота появления ошибок при передаче пакета данных и одновременно обеспечивается максимальная пропускная способность канала и максимальная дальность передачи. Поставляется модуль в стандартном промышленном 10-выводном корпусе LGA- типа размером 5х5 мм, совместимом по разъемам с корпусами УМ, используемых в 802.11а оборудовании. Стоимость при закупке партии в 100 тыс. шт. – 1,93 доллара.
Многие фирмы создают SiGe-приборы на основе собственной технологии. Так, Infineon с помощью разработанного SiGe-процесса формирования 70-ГГц приборов создала npn-транзисторы для WLAN-систем. Коэффициент шума транзисторов типа BFP640 и BFP650 составляет 0,65 дБ на 1,8 ГГц и 1,3 дБ на 6 ГГц, соответственно, что сопоставимо с этим параметром GaAs-приборов.
Самый известный изготовитель, разработавший SiGe-технологию и предоставляющий услуги по производству устройств на ее основе, – компания IBM – располагает разнообразными процессами, отработанными под конкретные приборы. Так, для изготовления НВТ, используемых во многих схемах беспроводных систем связи, перспективен 0,18-мкм процесс BiCMOS 7HP, позволяющий формировать самосовмещенные эмиттеры, мелкие и глубокие изолирующие канавки и транзисторы с предельной частотой до 120 ГГц. Хорошо знаком фирмам-разработчикам и такой полупроводниковый завод, как Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC).
Мощные SiGe-приборы пока встречаются редко. Можно упомянуть созданный специалистами сектора электронных датчиков и систем компании Northrop Grumman (www.es.northropgrumman.com) мощный SiGe-транзистор для РЛС управления воздушным транспортом. Коэффициент усиления НВТ типа WPTB48F2729C составляет 7 дБ в диапазоне частот 2,7–2,9 ГГц при КПД цепи коллектора 46%. В усилителях класса С при включении по схеме с общей базой выходная мощность транзистора превышает 180 Вт при подаче на вход импульсов длительностью 60 мкс с коэффициентом заполнения 6%.
Но хотя кремний-германий и пригоден для изготовления мощных компонентов, разработчиков приборов этого класса больше привлекает карбид кремния. Серьезную поддержку разработке SiC-технологии оказывает Исследовательский центр Гленна НАСА. Серию мощных полевых транзисторов с затвором Шоттки выпустила в конце 2003 года компания Rockwell Scientific (www.rockwellscientific.com) – ведущий разработчик ВЧ- и СВЧ-приборов на SiC. Коэффициент усиления транзистора, рассчитанного на частоту отсечки 3,6 ГГц, составляет 12 дБ на 2 ГГц, минимальная выходная мощность – 25 Вт. КПД стока достигает 40% при напряжении VDC 50 В и токе 1200 мА. Интермодуляционное искажение третьего порядка (IМ3) в среднем равно -30 дБс. Транзисторы предназначены для CDMA- и WCDMA-систем.
Мощные SiC-полевые транзисторы выпускает и компания Cree Microwave (www.cree.com) – поставщик SiC-пластин и производитель (foundry) SiC монолитных СВЧ-микросхем. Минимальная выходная мощность полевого транзистора с затвором Шоттки типа CRF24060-101 на частоте 2 ГГц составляет 50 Вт при компрессии 1 дБ, минимальный коэффициент усиления на малом сигнале на той же частоте – 13 дБ. Рабочая частота транзистора – 2,7 ГГц. КПД стока транзистора – 45% при напряжении питания 48 В и токе 250 мА, IМ3 равно -31 дБс. Несмотря на высокую выходную мощность прибора, минимальный коэффициент шума его мал – 3,1 дБ. Транзисторы предназначены для широкополосных военных систем связи, усилителей класса А, АВ, а также TDMA-, EDGE-, CDMA- и WCDMA-систем.
Внимание разработчиков мощных ВЧ- и СВЧ-устройств все больше привлекает нитрид галлия, позволяющий в сравнении с другими полупроводниковыми материалами достичь большую плотность мощности и высокий КПД приборов, а также обеспечивающий минимальное искажение сигнала. Правда, пока GaN-транзисторы в основном находятся на стадии исследований. Но разработка их ведется в более чем 100 исследовательских организациях, в том числе и специалистами таких важнейших подрядчиков Министерства обороны США, как отделение информационных и электронных систем военного назначения компании BAE Systems (www.baesystems.com) и сектор электронных датчиков и систем компании Northrop Grumman. Развитие GaN-технологии сдерживается высокой стоимостью исходных пластин, диаметр которых равен всего 50 мм (против 150 и 300 мм для пластин арсенида галлия и кремния, соответственно). Тем не менее, в конце 2003 года фирма Triquint Semiconductor (www.triquint.com) и крупный военный подрядчик Lockheed Martin объявили о разработке мощного GaN-транзистора с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Плотность мощности транзистора составляет 11,7 Вт/мм, выходная мощность – +34 дБм, коэффициент усиления на слабом сигнале – 9,83 дБ и КПД суммирования мощности – более 50% (к сожалению, частота не указывается).
Перспективным рынком для мощных GaN-приборов должны стать беспроводные системы связи третьего поколения (3G-системы). В 2003 году были достигнуты определенные успехи в области увеличения плотности мощности и выходной мощности GaN-усилителей, приблизивших разработчиков к выполнению жестких требований, выдвигаемых такими системами. Согласно этим требованиям, выходная мощность усилителей должна составлять 150 Вт при рабочем напряжении 48 В. Именно поэтому усилия разработчиков направлены на создание транзисторов с напряжением стока более 50 В. И в декабре 2003 года компания Cree Microwave объявила о разработке GaN-полевого транзистора для УМ на подложке карбида кремния с плотностью выходной мощности 32 Вт/мм и КПД суммирования мощности 55% на частоте 4 ГГц. На частоте 8 ГГц плотность выходной мощности составляет 30 Вт/мм при КПД 50%. Напряжение смещения стока достигает 120 В. Работа частично финансировалась Управлением исследований ВМС и Управлением перспективных разработок МО (DARPA).
УМ на нитриде галлия для WCDMA-систем создан и на фирме NEC (www.nec.com). Его рабочая частота – 2,1 ГГц, выходная мощность – 150 Вт, КПД суммирования мощности – 54%, напряжение стока – 63 В. Правда, чтобы такие GaN-приборы появились на рынке, необходимо решить проблему обеспечения их надежности. Достижение плотности мощности 30 Вт/мм ничего не дает, если характеристики усилителя быстро деградируют.
Выпуск AlGaN/GaN-полевых гетеротранзисторов (HFET) для мобильных систем связи третьего поколения готова начать относительно новая компания, образованная в 1999 году выпускниками Университета шт. Северная Каролина, – Nitronex (www.nitronex.com). Особенность этих приборов – изготовление по запатентованной компанией технологии, названной SIGANTIC и позволяющей выращивать высококачественный нитрид галлия на кремниевых пластинах диаметром 100 мм. Испытания HFET с периферией затвора 72 мм (длина затвора 0,7 мм) при рабочем токе 2 А и напряжении стока 28 В показали, что коэффициент усиления на малом сигнале равен 16,3 дБ, КПД стока – 62%, выходная мощность в режиме насыщения – 138 Вт. Это рекордное значение мощности для GaN-приборов на кремниевой подложке, работающих при напряжении стока 28 В. Результаты проведенных высокотемпературных испытаний позволили оценить жизненный цикл таких приборов в 20 лет.
В ноябре 2003 года Nitronex начала поставки опытных образцов мощных AlGaN/GaN HFET на напряжение стока +28 В с выходной мощностью свыше 10 (модель N10) и 20 Вт (модель N20). Коэффициент усиления транзисторов в диапазоне частот 1,8–2,2 ГГц составляет 11,5 дБ при среднем КПД 25%. В ближайшем будущем фирма намерена выпустить приборы на напряжение 36 Вт. В начале 2005 года планируется освоить и выпуск коммерческих приборов.
Таким образом, в связи с развитием беспроводных 3G-систем сотовой связи GaN-приборы сейчас представляют собой серьезную угрозу широко используемым в УМ базовых станций МОП-транзисторам, изготавливаемым методом боковой (горизонтальной) диффузии – LDMOS. Помимо обеспечения высокой мощности (табл.2), к важным достоинствам GaN-транзисторов следует отнести повышение надежности и КПД, а также возможность работы при высоких температурах, что позволит уменьшить габариты УМ-модуля за счет отказа от средств охлаждения. К тому же, замена GaN-транзисторами LDMOS-приборов позволит обойтись одним транзистором там, где раньше применялись два, что значительно упростит согласование (и, возможно, снизит стоимость) приборов.
Но GaN-транзисторы появятся на рынке в 2005 году, а применяться в аппаратуре очевидно начнут лишь с середины 2006-го. К тому же, для обеспечения конкурентоспособности своих изделий производители пока будут вынуждены продавать GaN-приборы в ущерб себе.
Поэтому сейчас на долю LDMOS приходится примерно 90% рынка транзисторов для УМ базовых систем сотовой связи (остальные – на долю GaAs-приборов и незначительная часть – на долю традиционных биполярных транзисторов). И хотя теоретически LDMOS – не лучшая технология для выполнения УМ 3G-систем связи, изменить сложившуюся ситуацию будет нелегко. Постоянное совершенствование этих приборов несомненно способствует сохранению ими прочных позиций на рынке. Пример совершенствования LDMOS-технологии – транзисторы пятого поколения компании Philips (www.philips.com), занимающей второе, после Motorola, место на рынке мощных приборов для базовых станций сотовых систем.
На Международном симпозиуме по микроволновой технологии 2004 года компания Philips Semiconductor демонстрировала мощный LDMOS-транзистор для WCDMA-систем типа BLF5G22-100 с коэффициентом усиления 17 дБ (против стандартного сейчас значения 14–15 дБ), ослаблением мощности по соседнему каналу
-39 дБс, КПД 30% при среднем значении выходной мощности 26 Вт и с пиковой выходной мощностью 160 Вт. Изготовлены транзисторы по 0,14-мкм КМОП-технологии с четырехслойной металлизацией на основе пленок алюминия–меди. Замена применявшейся ранее золотой металлизации системой на основе алюминия–меди большей толщины позволила увеличить температуру перехода со 160°С (для приборов с металлизацией золотом) до 185°С и, тем самым, в четыре раза улучшить надежность приборов (немаловажный фактор для УМ), а также снизить тепловое сопротивление с 0,76 до 0,5 К/Вт. И хотя уже появились LDMOS-транзисторы с еще меньшим тепловым сопротивлением (0,35 К/Вт при выходной мощности 180 Вт для транзистора компании Agere Systems), разработчики Philips утверждают, что низкое тепловое сопротивление в сочетании с рекордными значениями КПД и коэффициента усиления дает транзистору пятого поколения существенное преимущество. Намного уменьшены значения паразитных параметров транзисторов. Высокий коэффициент усиления позволяет конструкторам УМ сократить число усилительных каскадов и тем самым снизить затраты на реализацию проектируемого устройства.
Philips планировала выпустить транзисторы пятого поколения на рынок в конце 2004 года, с тем чтобы уже в середине 2005-го разработчики могли реализовать аппаратуру на их основе. Новая технология передана заводу по производству современных КМОП-микросхем, который сможет освоить 0,14-мкм технологию. По этой технологии, по-видимому, будут изготовлены LDMOS следующего поколения.
Значительных успехов в совершенствовании LDMOS-транзисторов достигли и компании Infineon (www.infenion.com) и STMicroelectronics (www.st.com/rf), занимающие совместно третье место на рынке компонентов для базовых станций сотовых систем. Так, выходная мощность в непрерывном режиме LDMOS-транзисторов семейства GOLDMOS нового поколения типа PTFA211001E компании Infineon на частоте 2,1 ГГц составляет 100 Вт при компрессии 1 дБ, усиление – 16,4 дБ, КПД – 57%, напряжение питания – 28–30 В. В двухканальной 3GPP WCDMA-системе средняя выходная мощность транзистора составляет 22 Вт, коэффициент усиления – 16,5 дБ, КПД – 30%, ослабление мощности по соседнему каналу – менее –42 дБс, IM3 равны -37 дБс.
Еще один серьезный конкурент LDMOS-транзисторам в области УМ для следующего поколения беспроводных систем связи – GaAs-приборы. Как показали исследования компании PA Consulting Group (Великобритания), LDMOS целесообразно применять в устройствах, работающих в стабильных условиях и в ограниченном диапазоне мощностей, что приемлемо для GSM-систем. В базовых станциях WCDMA-систем выходная мощность зависит от трафика и, следовательно, УМ на LDMOS не всегда смогут работать в зоне наилучшего восприятия. Для таких систем более приемлемы GaAs-транзисторы.
Арсенидгаллиевые транзисторы (в основном НВТ) доминируют и на рынке УМ для телефонов мобильных систем связи: на их долю в 2003 году приходилось 47,1% рынка. В этом секторе рынка лидируют три компании – RF Micro Devices, Skyworks и Renesas (образована в 2003 году фирмами Hitachi и Mitsubishi), на долю которых приходится 80% продаж.
Приборы на хорошо отработанном материале – арсениде галлия и фосфиде индия – занимают прочные позиции и в области приборов миллиметрового диапазона. И здесь все больший вес приобретают фирмы-производители (foundries). Можно отметить Velocium (www.velocium.com) – ранее отделение фирмы TRW, а теперь компания, входящая в концерн Northrop Grumman. Velocium разрабатывает и производит НЕМТ с минимальными размерами элементов 0,1 мкм как на арсениде галлия, так и на фосфиде индия. Граничная частота транзисторов – 120 и 180 ГГц, соответственно. Недавно компания объявила о создании двухкаскадного GaAs-усилителя для двухточечных цифровых радиостанций, рассчитанных на частоту 18, 23 и 28 ГГц. Коэффициент усиления прибора составляет 17 дБ, выходная мощность в режиме насыщения – 1 Вт.
Высокими темпами развития характеризуются и GaAs-монолитные миросхемы По данным исследовательской фирмы Strategy Analytics, совокупные темпы прироста рынка GaAs-мощных усилителей составят 16% и к 2006 году продажи их будут равны 0,77–1,2 млрд. долл. К числу последних достижений в области GaAs-приборов относится монолитная микросхема усилителя средней мощности на базе псевдоморфных НЕМТ, работающих в обогащенном режиме (E-pHEPT), модели MGA-425P8 фирмы Agilent Technologies (www.semiconductor.agilent.com). Микросхема предназначена для применения в качестве задающего устройства в беспроводных системах связи, рассчитанных на частоту до 10 ГГц, т. е. в беспроводных локальных сетях IEEE 802.11a стандарта; в не имеющих лицензии национальных информационных инфрастуктурах на частоту 5 ГГц; беспроводных локальных сетях 802.11g/b стандартов, работающих в диапазоне частот 2,4 ГГц, выделенном для промышленных, научных и медицинских систем (ISM), и в беспроводных локальных сетях, беспроводных телефонах на частоту 2,4 и 5,8 ГГц.
При частоте 5,25 ГГц , напряжении питания 3 В и потребляемом токе 58 мА выходная мощность микросхемы при амплитуде вектора ошибок 5% составляет 13,3 дБм, КПД суммирования мощности – 10,3%, выходная мощность при компрессии 1 дБ – 20,3 дБм, коэффициент усиления – 16 дБ, коэффициент шума – 1,7 дБ, КСВН при выходном сопротивлении 50 Ом – 2:1. Следует отметить, что несмотря на низкий потребляемый ток, микросхема удовлетворяет всем требованиям беспроводных локальных сетей к линейности. Необходимое смещение задается внешним резистором, а благодаря функции “разумного смещения” линейность IP3 можно регулировать в пределах 20–35 дБм путем изменения сопротивления внешнего резистора. Это позволяет использовать микросхему в различных блоках одной и той же системы.
Монтируется микросхема в стандартный промышленный безвыводной восьмиконтактный корпус типа DRP-N LPCC размером 2х2х0,75 мм. При закупке партиями от 5,5 тыс. до 14,5 тыс. шт. цена микросхемы равна 1,73 долларов.
В последнее время все больше внимания уделяется СВЧ-приборам на основе фосфида индия – материала с прямой запрещенной зоной, высокими подвижностью электронов и пробивным напряжением. К тому же, фосфид индия – единственный материал, на основе которого можно изготовить приборы, генерирующие, модулирующие, усиливающие и принимающие световое излучение на длинах волны 1,55 и 1,3 мкм, т.е. на длинах волн, используемых в телекоммуникационных системах на основе одномодовых оптических волокон. Поэтому по мере расширения возможностей ОС-192 систем со скоростью передачи 10 Гбит/с и разработки ОС-178 систем со скоростью 40 Гбит/с разработчики телекоммуникационного оборудования с целью снижения его стоимости, очевидно, вынуждены будут обратиться к новым материалам, в том числе и к фосфиду индия. Возможности этой технологии демонстрирует созданный недавно компанией Vitesse Semicoductor биполярный НВТ второго поколения, изготавливаемый методом двойной диффузии. Его предельная частота превышает 300 ГГц, а напряжение пробоя составляет 4,5 В. Достоинство нового прибора – возможность изготовления на пластинах диаметрам 100 мм по технологии с четырехслойной металлизацией, близкой к КМОП-технологии. Новый НВТ использовался разработчиками компании BAE Systems в цифровом синтезаторе частоты с рекордной рабочей частотой 152 ГГц.
Работы компании Vitesse совместно с BAE Systems и Университетом шт. Иллинойс финансировались DARPA.
Одна из основных проблем технологии приборов на InP – сложность интеграции оптических и электронных элементов. Сейчас на кристалле с цифровыми устройствами пока удалось объединить лишь pin-детектор, да и то малой дальности действия. Конечно, лет через десять появятся фосфидиндиевые микросхемы с сложными pin-детекторами, объединенными с усилителем напряжения, управляемым током, схемами модуляции и управления. А пока… Интерес представляет подход фирм Inphi (разработчика InP-приборов) и Broadcom (занимающейся созданием КМОП-устройств), предложивших использовать два чипсета – на InP для входных блоков и КМОП для выходных блоков.
Какой бы ни был выбран подход, победителем станет компания, которая сумеет раньше других объединить основные элементы системы на одном кристалле. И, по-видимому, этого можно ожидать через два-три года.
Microwaves & RF, Feb. 2004.
Материалы фирм Agilent Technologies, Centellax, Infineon, STMicroelectronics, SiGe Semiconductor, Hittite Microwave, Velocium, Vitesse Semiconductor и других.
Отзывы читателей
