Gan Hemt Yapılarının Tasarımı, Modellenmesi Ve Ölçümleri, Ve Yüksek Hızlı Ve Yüksek Güçlü Mmıc Yükselteçlerin Tasarımı

Abstract

Yüksek kapasiteli kablosuz veri iletimi, cep telefonu, kişisel iletişim ve mikrodalga erişim için dünya çapında birlikte çalışabilirlik (WiMAX) gibi gelişmiş haberleşme sistemlerinin pazarları hergeçen gün daha da geliştikçe, yüksek güçlü ve yüksek hızlı transistor ve yükselteçler üzerine ilgi de artmaktadır. Yüksek frekanslı güç elektroniği alanında meydana gelen hızlı gelişim, şu anki yarıiletken teknolojirinin performanslarında önemli bir gelişme olmayacağından yüksek çıkış gücü, yüksek çalışma gerilimi ve yüksek giriş empedancı özelliklerine sahip geniş enerji bant aralığına sahipuygu bir malzemenin tanıtılmasını gerektirmiştir. Galyum nitrat (GaN) HEMT teknolojisi diğer III-V grubu yarıiletken malzemelerle karşılaştırıldığında sahip olduğu yüksek enerji bant aralığı, yüksek ısıl iletkenlik, yüksek kırılma alanı ve yüksek doyma hızı gibi özelliklere sahiptir ve bu özellikleri sayesinde daha yüksek güç ve yüksek hız performansları vaat eder. Bu özellikleriden dolayı GaN HEMT teknolojisini yüksek güçlü ve yüksek hızlı MMIC yükselteçler için uygundur. Bu çalışmada ilk olarak yüksek güçlü ve yüksek hızlı GaN HEMT transistorlarının tasarımlarının önemli noktaları açıklanmıştır. Bu özelliklere dayanarak termal olarak daha verimli bir güç HEMT transistoru tasarımı yapılmıştır. Daha sonra ise HEMT transistorlar için mikrofabrikasyon adımları ve karakterizasyon methodları verilmiştir. Buna göre, 8x100 µm büyüklüğündeki bir GaN HEMT transistorundan 1.1 A/mm savak akım yoğunluğu, 37.5 GHz akım kazancı kesim frekansı, 48.5 GHz güç kazancı kesim frekansı ve 10 GHz frekansında 1.25 W/mm çıkış güç yoğunluğu elde edilmiştir. Sonra 4x75 µm büyüklüğünde bir GaN transistorun büyük işaret modeli elde edilmiştir. Bu model kullanılarak 20 GHz de GaN MMIC tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu MMIC’e ait ölçüm sonuçlarına göre ise 20 GHz de 603 mW çıkış gücü ve 19.2 GHz de 9 dB küçük işaret kazancı elde edilmiştir. Son olarak ise WiMAX uygulamaları için Cree GaN HEMT tasarım modelleri kullanılarak S bandında iki adet GaN MMIC PA tasarımı yapılmıştır. İlk PA 3.5 GHz de 42.6 dBm çıkış gücü ve %55 güç ilaveli verim (PAE) ile 3.2-3.8 GHz frekans aralığında 16 dB küçük işaret kazancına sahiptir. İkinci PA ise ilk PA nın dışardan Lange-coupler tekniği kullanılarak parallellenmesi yöntemine dayanmaktadır ve 3.5 GHz de 45.3 dBm çıkış gücü ve %45 PAE ile 3.3-3.8 GHz frekansında 0.2 dB den küçük kazanç dalgalanması ile 16 dB küçük işaret kazancı elde edilmiştir. Bu çalışma 13-20 Ağustos 2011 tarihlerinde İstanbul’da düzenlenecek olan The XXX General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science (Union Radio Scientifique Internationale-URSI) tarafından kabul edilmiştir.

As the market for advanced telecommunication systems such as high capacity wireless data transferring, cellular, personal communication and worldwide interoperability for microwave access (WiMAX) coming closer to reality, high power and high frequency microwave transistors and amplifiers have attracted great attention. The rapid development of the radio frequency (RF) power electronics requires the introduction of wide bandgap material due to its potential in high output power density, high operation voltage and high input impedance, since there will be no significant performance improvements regarding to this problem in present semiconductor technologies. Gallium nitride (GaN) HEMT technology provides some specific material characteristics including wide bandgap, high breakdown field, high thermal conductivity, and high saturated velocity and promises better high power and high frequency performances compared to other III-V semiconductor materials. These features make GaN HEMT technology suitable for high frequency and high power monolithic microwave integrated circuit (MMIC) power amplifiers (PAs). Firstly, high power and high frequency design considerations of GaN HEMT transistors were explained in this work. A thermally efficient power HEMT design was introduced based on these considerations. Then, micro fabrication steps and characterization methods of these HEMTs were given. Moreover, 1.1A/mm drain current density, 37.5 GHz of fT, 48.5 GHz of fmax and 1.25 W/mm output power density at 10 GHz are achieved from a fabricated 8x100 µm GaN HEMT device. Next, large signal nonlinear modeling was performed for a 4x75 µm GaN HEMT transistor. By using this nonlinear model, a GaN MMIC PA was designed at 20 GHz and fabricated. According to measurement results, 603 mW output power obtained at 20.1 GHz with 9 dB small signal gain at 19.2 GHz. Finally, two S band GaN MMIC PAs were designed for WiMAX applications by using Cree GaN HEMT design kit. First PA has a 42.6 dBm output power with a 55%PAE @ 3.5 GHz and 16 dB small signal gain in the 3.2-3.8 GHz frequency range. When two of these MMICs were combined by using off-chip Lange Couplers, 45.3 dBm output power with a 45%PAE @3.5Ghz and 16 dB small signal gain were obtained with less than 0.2 dB gain ripple in the 3.3-3.8 GHz frequency range. This work was accepted by The XXX General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science (Union Radio Scientifique Internationale-URSI) which will be held at Istanbul, Turkey on August 13-20, 2011.