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Sep 26, 2023

マイクロ波パルスによって誘発されるGaN高電子移動度トランジスタパワーアンプの干渉効果

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16922 (2022) この記事を引用

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無線通信、レーダー、およびパルスパワー技術の急速な発展により、電子システムが直面する電磁環境はますます複雑になり、電磁場の強度は著しく増大する可能性があります。 この研究では、マイクロ波パルスが出力ポートを介して窒化ガリウム (GaN) 高電子移動度トランジスタ (HEMT) パワーアンプに注入されたときに、新たな干渉現象が観察されました。 逆注入マイクロ波パルスのピークパワーと干渉の持続時間や振幅との関係を効果実験により調査した。 干渉の持続時間はミリ秒単位に達する可能性があります。 GaN HEMT パワーアンプの深いトラップがこの干渉効果の原因であることが証明されています。

窒化ガリウム (GaN) のユニークな材料特性、広いバンドギャップ、高い熱伝導率、高い降伏電圧、高い電子移動度、および GaN 高電子移動度トランジスタ (HEMT) のデバイス特性、つまり低い寄生容量、低いターンオン抵抗、およびハイカット周波数が低いため、パワーアンプ (PA)1、2、3、4、5 での使用に適しています。 近年、GaN高周波（RF）デバイスをベースにしたレーダーおよび電子対抗システムは、より長い送信検出距離、感度と耐久性、および明らかな総合的な性能上の利点を実証しており、軍事装備の性能向上を強力に推進しています。 次世代通信システムである第5世代（5G）無線通信の開発も、半導体業界に革命的な変化をもたらすだろう。 通信周波数帯域が高周波に移行するにつれて、基地局と通信デバイスの両方が高周波性能をサポートする RF デバイスを必要とします。 GaN の利点は徐々に顕著になり、GaN は 5G6、7、8、9 の主要技術となるでしょう。 しかし、パルスパワー技術の急速な発展、高出力レーダーや通信送信機の広範な応用により、電磁環境はますます複雑になり、電磁環境の電力密度も増加しているため、電磁環境の信頼性はますます高まっています。 GaN-HEMTパワーアンプは必然的に深刻な脅威にさらされます。

この研究では、マイクロ波パルスが出力ポートを介してGaN-HEMTパワーアンプに注入され、新たな干渉現象が観察されました。 干渉の継続時間はミリ秒のオーダーに達し、システムの通常の動作に重大な脅威を引き起こす可能性がありました。

パワーアンプ集積回路 (IC) TGF2023-2-01 は、0.25 μm の高出力 GaN/SiC HEMT テクノロジーを使用して Qorvo によって製造されました。 図1に構造を示すパワーアンプは、電磁スペクトルのSバンド(2～4GHz)で動作するように設計されています。 パワーアンプは通常、3 GHz で 13.5 dB の電力ゲインで 38 dBm (約 6 ワット) の飽和出力電力を提供できます。 最大電力付加効率は60.5%です。 VGate と VDrain は、それぞれゲート - ソース間電圧とドレイン - ソース間電圧です。 このパワーアンプでは、VGate は - 5 V、VDrain は + 28 V に設定されています。

研究に使用したパワーアンプの構造。

図2は、マイクロ波パルスによって誘発されるGaN-HEMTパワーアンプの干渉効果を研究するために私たちの研究で使用した実験システムの概略図を示しています。 この実験システムは、マイクロ波放射の受信および注入メカニズムに基づいて設計されているため、実際の応用シナリオを現実的に再現するために使用できます。 このシステムは、自作のマイクロ波ソース システム、いくつかの減衰器、サーキュレータ、方向性結合器、RF パワー メーター (R&S NRP2)、およびデジタル オシロスコープ (LeCroy WavePro 640Zi) で構成されます。 私たちの実験では、一連のマイクロ波パルスがマイクロ波源システムによって生成され、ステップ減衰器を調整することで徐々に変化させることができます。 さらに、マイクロ波パルスのパルス幅、繰り返し周波数、パルス数の制御には、自作のタイムドメイン同期制御システムと信号源（Agilent E8257D）を使用しています。

マイクロ波パルスによって誘起されるGaN-HEMTパワーアンプの干渉効果を研究するために使用された実験システムの概略図。

実験中、信号源と駆動アンプは共同して GaN-HEMT パワーアンプを通常の動作状態になるように駆動しました。 注入された信号源とマイクロ波源の周波数はすべて 3 GHz でした。 送信アンテナと受信アンテナの動作周波数はそれぞれ2.6～3.95 GHzと1～18 GHzでした。 両方のアンテナは垂直偏波であり、チャンバー内のアンテナ間の距離は約 3 m でした。 PA の出力に注入されるサーキュレータのポート 3 の電力レベルは約 42.6 ワットで、実際の波形は時間領域で 100 ns 続く正弦波とみなすことができます。 サーキュレータのポート3に注入された復調後の典型的な波形を図3に示します。GaN-HEMTパワーアンプの飽和出力電力は約6ワットで、GaN-HEMTパワーアンプの出力波形を図3に示します。 4. オシロスコープの結合は DC 50 Ω に設定され、測定中に DC オフセットは適用されませんでした。 変調されたマイクロ波パルスは、サーキュレータを介して GaN-HEMT パワーアンプの出力ポート (ポート 3 からポート 1) に注入され、GaN-HEMT パワーアンプの出力信号 (ポート 1 からポート 2) が観測されました。オシロスコープ。

サーキュレータのポート 3 に注入された復調後の典型的な波形。

通常の動作状態における GaN-HEMT パワーアンプの出力信号。

GaN-HEMTパワーアンプの出力端にマイクロ波パルスを逆注入したときにオシロスコープでモニターした出力波形を図5に示します。注入されたマイクロ波パルスのピーク電力は46dBm（約42.6ワット）、パルス幅は10dBmでした。 100 ns、繰り返し率 20 Hz。 パルス幅500ns、周期2μsはGaN-HEMTパワーアンプの正常な出力波形でした。 図5からわかるように、特定の電力強度のマイクロ波パルスは、GaN-HEMTパワーアンプの出力に干渉効果を引き起こす可能性があります。 干渉振幅はマイクロ波パルスの消失とともに徐々に弱まりました。 パワーアンプがレーダーまたは他の RF システムで使用される場合、このような長時間にわたる高強度の出力干渉は、システムの感度と検出精度に影響を与えます。 深刻な場合はシステムが正常に動作しません。

マイクロ波パルスが出力ポートに注入されたときにオシロスコープで観察された GaN-HEMT パワーアンプの出力信号。

この干渉効果の原因を調査するために、マイクロ波パルスが GaN-HEMT パワーアンプに逆注入されている間、電圧源 VDrain の出力がオシロスコープで監視されました。 パワーアンプの出力は干渉を受けていますが、電圧源の出力は変化せず + 28 V で安定したままであることがわかりました。 したがって、電圧源によってもたらされる干渉の可能性は排除されました。 GaN-HEMTパワーアンプでは電波をフィルタリングするために多数のコンデンサが使用されているため、干渉がコンデンサに関係しているかどうかを調査するために、コンデンサC6の右側に1000μFの大きなコンデンサを並列に接続し、コンデンサ C14 をそれぞれ接続し、実験を繰り返しました。 パワーアンプの出力干渉現象はコンデンサを増やさなかった場合と全く同じであることが分かりました。 フィルタコンデンサによって干渉がもたらされた可能性も排除されました。 したがって、干渉現象は基本的に GaN-HEMT 自体に起因すると判断できます。

マイクロ波パルスによって誘発されるGaN-HEMTパワーアンプの干渉効果を系統的に研究するため。 調整可能な減衰器を調整することにより、異なるピークパワーのマイクロ波パルスがGaN-HEMTパワーアンプに逆注入されました。 出力干渉時間、最大干渉振幅、注入ピーク電力の関係を図6に示します。図6からわかるように、マイクロ波パルスのピーク電力の増加に伴い、干渉時間と最大干渉振幅は増加します。振幅が増加しています。 干渉時間はミリ秒のオーダーであり、注入されたマイクロ波パルスのパルス幅よりもはるかに長くなります。

出力干渉時間、最大干渉振幅、およびマイクロ波パルスの注入ピーク電力の間の関係。

III族窒化物は通常、格子不整合のある基板上に成長します。 成長は高温で行われるため、強い不純物汚染、点欠陥の濃度が高く、熱膨張係数の違いによって生じる歪みが大きくなる可能性があります。 これらすべてにより、高密度の拡張欠陥と深い準位を持つ中心が生じる可能性があります10。 深いトラップは依然として重要な問題であり、GaN-HEMT の普及に対する大きな障害の 1 つです。 トラッピングは、高周波での出力低下、周波数分散、ノイズ、ゲートラグとドレインラグ、高い漏れ電流、低いブレークダウン電圧、動作中のデバイスの劣化、高いサブスレッショルド電流11、12などのさまざまな現象として現れます。 13、14、15、16、17、18、19。

マイクロ波パルスが出力ポートからGaN-HEMTパワーアンプに逆注入されると、マイクロ波結合によって生成された強電界がGaN HEMTのドレインに直接負荷されます。 チャネル内の二次元電子ガス (2DEG) はマイクロ波パルスから多くのエネルギーを得て高エネルギー電子になり、図 7 に示すように障壁を越えて深いトラップに捕獲される可能性があります。は、一般に自然欠陥、不純物、転位に関連しています10、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29。 深いトラップによって引き起こされるトラップにより、チャネル内の 2DEG 密度が大幅に減少し、GaN HEMT の出力電流が減少し、最終的にはパワーアンプの出力電力が大幅に減少します。 さまざまなトランジスタ構造で測定された深いトラップの特徴的な緩和時間は、マイクロ秒から数十ミリ秒まで幅広く異なります10,30。これは基本的にマイクロ波パルスによって引き起こされる干渉時間と一致します。 マイクロ波パルスのピークパワーが高くなるほど、GaN HEMTのドレインに結合する電場が強くなり、2DEGがより多くのエネルギーを捕捉でき、より深いトラップがより多くの電子を捕捉できます。 したがって、逆注入マイクロ波パルスのピーク電力が増加すると、干渉時間と最大干渉振幅が増加します。

マイクロ波パルスによって誘起されるGaN HEMT内のトラップの概略図。

GaAs 擬似高電子移動度トランジスタ (PHEMT) と GaN HEMT の原理は似ており、どちらも 2DEG を介して動作する高電子移動度トランジスタです。 GaAs PHEMT は、その材料特性と成長条件により、GaN HEMT よりも深いトラップ濃度がはるかに低くなります 31、32、33、34。 ディープトラップによって引き起こされる干渉効果をさらに検証するために、GaAs-pHEMT パワーアンプ (BW234) を選択して同じ実験を実行しました。

GaAs-pHEMT パワーアンプ集積回路 BW234 は、中国電子技術集団公司第 13 研究所によって製造されました。 このパワーアンプは、電磁スペクトルの S バンド (2.7 ～ 3.5 GHz) で動作するように設計されています。 GaAs-pHEMT パワーアンプは通常、3 GHz で 24 dB の電力ゲインで 40 dBm (約 10 ワット) の飽和出力電力を提供できます。 最大電力付加効率は３３％であった。 VGate は - 0.7 V、VDrain は + 8 V に設定されました。GaN HEMT とは異なり、逆注入マイクロ波パルスのピーク電力は継続的に増加しましたが、GaAs-PHEMT パワーアンプが焼き切れるまで干渉は見つかりませんでした。 この補足実験では、マイクロ波パルスによって誘発された GaN-HEMT パワーアンプの干渉効果がデバイス内の深準位トラップに関連していることがさらに確認されました。 アイソレータは、信号を一方向にのみ伝送し、他の方向への信号の通過を阻止する 2 ポートのデバイスです35。 GaN-HEMT パワーアンプの出力にアイソレータを追加すると、この現象を改善できます。

要約すると、マイクロ波パルスによって誘発される GaN-HEMT パワーアンプの干渉効果を調査しました。 マイクロ波パルスがデバイスの出力端から逆方向に注入されると、GaN-HEMT パワーアンプの正常な出力信号が妨害される可能性があることが判明しました。 干渉時間はミリ秒程度になることがあります。 逆注入マイクロ波パルスのピーク電力が増加すると、干渉時間と最大干渉振幅が増加します。 分析と比較実験により、この現象の主な原因は深いトラップによって引き起こされるトラップであることが確認されています。 この発見は、GaN ベースのデバイスの保護強化に役立ちます。

現在の研究で使用および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この記事は、中国国家自然科学財団 (61701461 および 11705172)、国家防衛科学技術イノベーション特別区プロジェクト、および高出力マイクロ波研究所基金 (JCKYS2021212017) の資金提供を受けました。

高出力マイクロ波の科学研究室、応用電子研究所、中国工程物理学会、綿陽、621900、中国

Jingtao Zhao、Chaoyang Chen、Zhidong Chen、Zhong Liu、Gang Zhao

複雑な電磁環境に関する科学技術主要研究所、中国工程物理学会、綿陽、621900、中国

Jingtao Zhao、Chaoyang Chen、Zhidong Chen、Zhong Liu、Gang Zhao

中国工学物理学会電子工学研究所、綿陽、621999、中国

チェン・クアンユウ

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JTZ、GZ、CYC が実験を設計しました。 JTZ、ZL、ZDC が実験を実施しました。 JTZとQYCはデータを分析し、主要原稿を執筆した。 著者全員が原稿をレビューしました。

趙剛氏への対応。

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Zhao, J.、Chen, Q.、Chen, C. 他マイクロ波パルスによって引き起こされるGaN高電子移動度トランジスタパワーアンプの干渉効果。 Sci Rep 12、16922 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-21324-y

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受信日: 2022 年 6 月 22 日

受理日: 2022 年 9 月 26 日

公開日: 2022 年 10 月 8 日

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