Sviluppo di un dispositivio Switch in Nitruro di Gallio (GaN) ad alta potenza per applicazioni nei front-end dei moduli T/R

Abstract

Il Nitruro di Gallio è un semiconduttore sempre più utilizzato per applicazioni di alta potenza ed alta frequenza grazie alle sue caratteristiche intrinseche, le quali permettono l’utilizzo di tensioni più elevate, maggiori densità di potenza e maggiore efficienza, nonché una sostanziale riduzione delle dimensioni a parità di potenza erogata. I moduli T/R attualmente in produzione presso la Fonderia GaAs/GaN di SELEX Sistemi Integrati sfruttano l’ormai consolidata tecnologia GaAs microstriscia per la realizzazione di MMIC quali HPA e LNA presenti nel frontend radar attivo, uniti a circuiti monolitici Power Limiter (diodi p-i-n) ed a componenti ferromagnetici quali il circolatore per realizzare un modulo ibrido i cui componenti sono interconnessi tra loro mediante wire bonding. L’idea di un radar di prossima generazione basato su tecnologia GaN fornisce la possibilità di pensare non solo a potenze più elevate e/o dimensioni notevolmente ridotte, ma ad un modulo T/R più compatto formato da un unico circuito integrato monolitico (MMIC). Ovviamente questo può essere possibile solo nel caso in cui componenti quali il circolatore ed il Power Limiter, che rendono il modulo ibrido, fossero sostituiti da circuiti realizzati sullo stesso substrato dei MMIC attivi HPA e LNA. Durante questo lavoro di Dottorato è stato mostrato come una possibile alternativa al circolatore sia rappresentata da un circuito SPDT, composto da Switch Serie e Shunt in configurazione tale da svolgerne la stessa funzione logica, mantenendo caratteristiche di Insertion Loss e Isolamento tali da garantire una bassa dispersione del segnale. Al fine di ottimizzare il processo realizzativo e le prestazioni dello Switch, è stato processato un primo Wafer A sul quale sono stati realizzati Switch discreti di tipo Serie con diverse periferie, sfruttando la tecnologia Field Plate allo scopo di mantenere alta la tensione di breakdown. Questi dispositivi sono dunque stati caratterizzati con lo scopo di realizzare un modello scalabile a piccolo segnale dello Switch. In questo modello, il comportamento dello Switch è associato ad una serie di componenti passivi, tutti determinabili con semplici misurazioni sia per lo stato ON che per lo stato OFF (per quest’ultimo è stata messa a punto una nuova metodologia di misura capacitiva in grado di estrapolare il valore della CDS, solitamente molto difficile da misurare). Lo scopo del modello è fondamentalmente quello di ottenere una simulazione affidabile riguardo alle prestazioni degli Switch al variare della periferia e della geometria dell’elettrodo di Gate. Una volta confermata l’affidabilità del modello scalabile confrontando le simulazioni con i dati sperimentali degli Switch realizzati in tecnologia T-Gate sul Wafer A, sono state effettuate delle simulazioni di strutture innovative quali IGate (senza Field Plate) e MIS-Gate (senza piede del Gate) a parità di capacità parassite CGS-CGD, ottenendo un set di lunghezze di Gate variabili per i diversi layout: LG=0.25μm+LHEAD=2x0.2μm (T-Gate), LG=0.6μm (I-Gate) e LHEAD=0.6μm (MIS-Gate). E’ stato dimostrato inoltre come il Field Plate introduca delle capacità parassite che riducono l’Isolamento RF dello Switch e come invece una maggiore lunghezza di Gate lo migliori, sviluppando una metodologia di misura basata su una struttura di test in grado di discriminare la bontà e l’influenza del substrato sulle capacità parassite del Gate rispetto all’Isolamento RF.Sulla base dei risultati ottenuti dalle simulazioni, è stato quindi processato un secondo Wafer B contenente le tre strutture T-Gate, I-Gate e MIS-Gate con le dimensioni sopra descritte. E’ apparso evidente come il T-Gate presenti un alto breakdown (VBD=130V) grazie alla presenza del Field Plate, ma allo stesso tempo delle ridotte prestazioni nell’Isolamento RF a causa delle capacità parassite presenti (COFF T 2COFF I e COFF T 3COFF MIS). Le tre tecnologie hanno comunque confermato il trend previsto dalle simulazioni, mostrando una FC pari a 176 GHz (T-Gate), 257GHz (I-Gate) e 366 GHz (MIS), in funzione anche della maggiore LG. La struttura MIS ha inoltre presentato delle prestazioni DC di gran lunga superiori alle altre tecnologie, mostrando un incremento della IDSS di circa il 15%, una maggiore stabilità all’effetto di autopolarizzazione del Gate grazie alla possibilità di essere polarizzato in forward senza correnti di leakage ed un breakdown paragonabile al T-Gate con Field Plate. Nell’ipotesi di sfruttare lo Switch con periferie più grandi (WG>1mm) ed in grado dunque di gestire maggiori densità di potenza, è stato considerato il problema di dover compensare l’aumento della capacità parassita COFF. Dopo aver esaminato diverse soluzioni già presenti in letteratura, è stata ideata e simulata la soluzione innovativa del Dual-Gate, formato da un unico Switch con due Gate paralleli all’interno del canale ed utilizzabile anche per progettazione a banda larga, permettendo inoltre di ottenere allo stesso tempo una riduzione della COFF senza raddoppiare la RON come nel caso della soluzione con due Switch in cascata. Sulla base delle simulazioni è stato dunque processato un terzo Wafer C con strutture I-Gate e MIS-Gate nelle configurazioni Serie e Shunt, con diverse periferie (da WG=2x50μm a WG=1.8mm) e con LG=1μm nelle configurazioni Single-Gate e Dual-Gate. Le misure DC hanno confermato il trend del Wafer B, mostrando ancora una volta le alte prestazioni del MIS-Gate. Le misure a piccolo segnale sugli Switch Serie hanno mostrato, nel confronto tra Singolo e Dual-Gate sia per piccole che grandi periferie, un miglioramento costante di 3dB di Isolamento nel range di frequenze preso in considerazione, a fronte di un incremento di circa il 65% dell’Insertion Loss, lasciando il valore di FCpraticamente invariato. Gli Switch Shunt, nell’analisi a piccolo segnale, hanno mostrato un miglioramento nell’accoppiamento capacitivo del segnale RF con il Gate, mantenendo comunque un Isolamento di -20dB, nel caso in cui si prenda in considerazione il dispositivo MIS Dual-Gate piuttosto che il Singolo Gate. Infine, le misure ad ampio segnale sui dispositivi MIS hanno dimostrato come questi possano gestire una densità di potenza molto più elevata nello stato ON (80W/mm e 70W/mm per la configurazione Single-Gate e Dual-Gate rispettivamente) rispetto ai circa 50W/mm dei dispositivi Schottky i quali presentano, inoltre, una maggiore sensibilità all’effetto di autopolarizzazione del Gate in forward o verso il pinch-off. Nello stato OFF, gli Switch Dual-Gate presentano ancora un miglioramento di 3dB rispetto a quelli a Singolo Gate, mostrando una compressione P1dBc>40dBm.