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Sep 26, 2023

Durch Mikrowellenimpulse induzierte Interferenzeffekte in einem GaN-Transistor-Leistungsverstärker mit hoher Elektronenmobilität

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16922 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Aufgrund der rasanten Entwicklung der drahtlosen Kommunikations-, Radar- und Pulsleistungstechnologie wird die elektromagnetische Umgebung, der elektronische Systeme ausgesetzt sind, immer komplexer und die Intensität elektromagnetischer Felder kann erheblich sein. In dieser Studie wurde ein neues Interferenzphänomen beobachtet, als die Mikrowellenimpulse über den Ausgangsanschluss in den HEMT-Leistungsverstärker (High Electron Mobility Transistor) aus Galliumnitrid (GaN) eingespeist wurden. Wir untersuchten den Zusammenhang zwischen der Spitzenleistung von Mikrowellenimpulsen mit umgekehrter Injektion und der Dauer bzw. der Amplitude der Interferenz durch Effektexperimente. Die Interferenzdauer könnte die Größenordnung von einer Millisekunde erreichen. Als Ursache für diese Interferenzeffekte sind tiefe Fallen in GaN-HEMT-Leistungsverstärkern erwiesen.

Die einzigartigen Materialeigenschaften von Galliumnitrid (GaN), große Bandlücke, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Durchbruchspannung, hohe Elektronenmobilität und die Geräteeigenschaften von GaN High Electron Mobility Transistor (HEMT), nämlich niedrige parasitäre Kapazität, niedriger Einschaltwiderstand und hoher Schnitt Off-Frequenzen machen es zu einer guten Wahl für den Einsatz in Leistungsverstärkern (PA)1,2,3,4,5. In den letzten Jahren haben Radar- und elektronische Gegenmaßnahmensysteme, die auf GaN-Hochfrequenzgeräten (RF) basieren, eine längere Übertragungserkennungsentfernung, Empfindlichkeit und Haltbarkeit sowie offensichtliche umfassende Leistungsvorteile gezeigt, die die Leistungssteigerung militärischer Ausrüstung stark vorangetrieben haben. Die Entwicklung eines Kommunikationssystems der nächsten Generation, also der drahtlosen Kommunikation der fünften Generation (5G), wird auch revolutionäre Veränderungen für die Halbleiterindustrie mit sich bringen. Da das Kommunikationsfrequenzband auf Hochfrequenz umsteigt, benötigen sowohl Basisstationen als auch Kommunikationsgeräte HF-Geräte, die Hochfrequenzleistung unterstützen. Die Vorteile von GaN werden nach und nach deutlich hervortreten und GaN zu einer Schlüsseltechnologie in 5G6,7,8,9 machen. Mit der rasanten Entwicklung der Pulsleistungstechnologie und der breiten Anwendung von Hochleistungsradaren und Kommunikationssendern wird die elektromagnetische Umgebung jedoch immer komplexer und auch die Leistungsdichte der elektromagnetischen Umgebung nimmt zu, was die Zuverlässigkeit erhöht GaN-HEMT-Leistungsverstärker sind unweigerlich ernsthaft gefährdet.

In dieser Arbeit wurden Mikrowellenimpulse über den Ausgangsanschluss in einen GaN-HEMT-Leistungsverstärker eingespeist und ein neues Interferenzphänomen beobachtet. Die Dauer der Störung erreichte die Größenordnung von Millisekunden, was eine ernsthafte Gefahr für den normalen Betrieb des Systems darstellen würde.

Die integrierte Leistungsverstärkerschaltung (IC) TGF2023-2-01 wurde von Qorvo unter Verwendung der 0,25 μm Hochleistungs-GaN/SiC-HEMT-Technologie hergestellt. Der Leistungsverstärker, dessen Aufbau in Abb. 1 dargestellt ist, ist für den Betrieb im S-Band (2–4 GHz) des elektromagnetischen Spektrums ausgelegt. Der Leistungsverstärker kann typischerweise 38 dBm (ca. 6 Watt) gesättigte Ausgangsleistung mit einer Leistungsverstärkung von 13,5 dB bei 3 GHz liefern. Der maximale Wirkungsgrad der Leistungssteigerung beträgt 60,5 %. VGate und VDrain sind die Gate-Source-Spannung bzw. die Drain-Source-Spannung. In diesem Leistungsverstärker ist VGate auf −5 V und VDrain auf +28 V eingestellt.

Aufbau des in der Studie verwendeten Leistungsverstärkers.

Abbildung 2 zeigt das Schema des Experimentiersystems, das in unserer Arbeit zur Untersuchung der durch Mikrowellenimpulse induzierten Interferenzeffekte in GaN-HEMT-Leistungsverstärkern verwendet wurde. Das Experimentiersystem basiert auf dem Empfangs- und Injektionsmechanismus von Mikrowellenstrahlung und ermöglicht so die realitätsnahe Nachbildung praktischer Anwendungsszenarien. Dieses System besteht aus einem selbstgebauten Mikrowellenquellensystem, mehreren Dämpfungsgliedern, einem Zirkulator, einem Richtkoppler, einem HF-Leistungsmesser (R&S NRP2) und einem digitalen Oszilloskop (LeCroy WavePro 640Zi). Für unsere Experimente wird vom Mikrowellenquellensystem eine Reihe von Mikrowellenimpulsen erzeugt, die durch Abstimmung des Stufendämpfers schrittweise geändert werden können. Darüber hinaus werden ein selbstgebautes Zeitbereichs-Synchronisationssteuersystem und die Signalquelle (Agilent E8257D) verwendet, um die Pulsbreite, Wiederholfrequenz und Pulszahl der Mikrowellenpulse zu steuern.

Schematische Darstellung des Experimentiersystems zur Untersuchung der durch Mikrowellenimpulse induzierten Interferenzeffekte im GaN-HEMT-Leistungsverstärker.

Während des Experiments brachten die Signalquelle und der Antriebsverstärker gemeinsam den GaN-HEMT-Leistungsverstärker in den normalen Betriebszustand. Die Frequenz der Signalquelle und der eingespeisten Mikrowellenquelle betrugen alle 3 GHz. Die Betriebsfrequenzen für die Sende- und Empfangsantennen betrugen 2,6–3,95 GHz bzw. 1–18 GHz. Beide Antennen waren vertikal polarisiert und der Abstand zwischen den Antennen in der Kammer betrug etwa 3 m. Der Leistungspegel an Anschluss 3 des Zirkulators, der in den Ausgang der PA eingespeist wurde, betrug etwa 42,6 Watt, und die wahre Wellenform kann als Sinuswelle mit einer Dauer von 100 ns im Zeitbereich betrachtet werden. Eine typische Wellenform nach der Demodulation, die in Port 3 des Zirkulators eingespeist wurde, ist in Abb. 3 dargestellt. Die gesättigte Ausgangsleistung des GaN-HEMT-Leistungsverstärkers betrug etwa 6 Watt, und die Ausgangswellenform des GaN-HEMT-Leistungsverstärkers wurde in Abb. dargestellt. 4. Die Kopplung des Oszilloskops wurde auf DC 50 Ω eingestellt und während der Messung wurde kein DC-Offset angewendet. Die modulierten Mikrowellenimpulse wurden über den Zirkulator (von Anschluss 3 zu Anschluss 1) in den Ausgangsanschluss des GaN-HEMT-Leistungsverstärkers eingespeist und die Ausgangssignale (von Anschluss 1 zu Anschluss 2) des GaN-HEMT-Leistungsverstärkers wurden beobachtet Oszilloskop.

Typische Wellenform nach der Demodulation, eingespeist in Anschluss 3 des Zirkulators.

Ausgangssignale des GaN-HEMT-Leistungsverstärkers im normalen Betriebszustand.

Die mit einem Oszilloskop überwachte Ausgangswellenform, wenn Mikrowellenimpulse umgekehrt in das Ausgangsende des GaN-HEMT-Leistungsverstärkers eingespeist wurden, ist in Abb. 5 dargestellt. Die eingespeisten Mikrowellenimpulse hatten eine Spitzenleistung von 46 dBm (etwa 42,6 Watt), eine Impulsbreite von 100 ns und eine Wiederholungsrate von 20 Hz. Die Impulsbreite von 500 ns und die Periode von 2 µs waren die normalen Ausgangswellenformen des GaN-HEMT-Leistungsverstärkers. Wie aus Abb. 5 ersichtlich ist, können Mikrowellenimpulse einer bestimmten Leistungsintensität einen Interferenzeffekt im Ausgang des GaN-HEMT-Leistungsverstärkers verursachen. Mit dem Verschwinden der Mikrowellenimpulse schwächte sich die Interferenzamplitude allmählich ab. Wenn die Leistungsverstärker in Radargeräten oder anderen HF-Systemen verwendet werden, beeinträchtigt eine so lange Zeit und hohe Intensität der Ausgangsstörungen die Empfindlichkeit und Erkennungsgenauigkeit der Systeme. Wenn es ernst ist, kann das System nicht richtig funktionieren.

Vom Oszilloskop beobachtete Ausgangssignale des GaN-HEMT-Leistungsverstärkers, wenn Mikrowellenimpulse in den Ausgangsanschluss eingespeist wurden.

Um die Ursachen dieser Interferenzeffekte zu untersuchen, wurde der Ausgang der Spannungsquelle VDrain mit einem Oszilloskop überwacht, während die Mikrowellenimpulse umgekehrt in den GaN-HEMT-Leistungsverstärker eingespeist wurden. Es wurde festgestellt, dass der Ausgang des Leistungsverstärkers gestört war, während der Ausgang der Spannungsquelle unverändert bei +28 V stabil blieb. Daher wurde die Möglichkeit einer Störung durch die Spannungsquelle ausgeschlossen. Da im GaN-HEMT-Leistungsverstärker eine große Anzahl von Kondensatoren zum Filtern der Wellen verwendet werden, wurde ein großer Kondensator von 1000 µF parallel zur rechten Seite des Kondensators C6 geschaltet, um zu untersuchen, ob die Interferenz mit den Kondensatoren zusammenhängt Kondensator C14 angeschlossen und das Experiment wiederholt. Es wurde festgestellt, dass das Ausgangsinterferenzphänomen des Leistungsverstärkers genau das gleiche war wie ohne Erhöhung der Kondensatoren. Auch eine Einleitung der Störungen durch Filterkondensatoren konnte ausgeschlossen werden. Somit kann grundsätzlich festgestellt werden, dass das Interferenzphänomen vom GaN-HEMT selbst herrührt.

Um die durch Mikrowellenimpulse induzierten Interferenzeffekte in GaN-HEMT-Leistungsverstärkern systematisch zu untersuchen. Durch Einstellen des einstellbaren Dämpfungsglieds wurden Mikrowellenimpulse unterschiedlicher Spitzenleistung umgekehrt in den GaN-HEMT-Leistungsverstärker eingespeist. Die Beziehungen zwischen der Ausgangsinterferenzzeit, der maximalen Interferenzamplitude und der eingespeisten Spitzenleistung sind in Abb. 6 dargestellt. Wie in Abb. 6 zu sehen ist, nehmen mit zunehmender Spitzenleistung der Mikrowellenimpulse die Interferenzzeit und das Maximum zu Amplitude nehmen zu. Die Interferenzzeit liegt in der Größenordnung von Millisekunden und ist damit viel länger als die Pulsbreite der eingekoppelten Mikrowellenpulse.

Zusammenhänge zwischen der ausgegebenen Interferenzzeit, der maximalen Interferenzamplitude und der eingespeisten Spitzenleistung der Mikrowellenimpulse.

III-Nitride werden üblicherweise auf Substraten mit Gitterfehlanpassungen gezüchtet. Das Wachstum erfolgt bei hohen Temperaturen, was zu einer starken Verunreinigung, einer hohen Konzentration von Punktdefekten und einer hohen Spannung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten führen kann. All dies kann zu einer hohen Dichte ausgedehnter Defekte und Zentren mit tiefen Ebenen führen10. Tiefe Fallen bleiben ein wichtiges Problem und eines der größten Hindernisse für die weit verbreitete Verwendung von GaN-HEMT. Trapping äußert sich in einer Vielzahl von Phänomenen, wie z. B. geringerer Ausgangsleistung bei hohen Frequenzen, Frequenzstreuung, Rauschen, Gate-Lag und Drain-Lag, hohen Leckströmen, niedriger Durchbruchspannung, Geräteverschlechterung im Betrieb, hohen Strömen unterhalb des Schwellenwerts11,12, 13,14,15,16,17,18,19.

Wenn die Mikrowellenimpulse vom Ausgangsanschluss aus umgekehrt in den GaN-HEMT-Leistungsverstärker eingespeist werden, wird das durch die Mikrowellenkopplung erzeugte starke elektrische Feld direkt auf den Drain des GaN-HEMT geladen. Das zweidimensionale Elektronengas (2DEG) im Kanal gewinnt durch die Mikrowellenimpulse viel Energie und wird zu hochenergetischen Elektronen, die die Barriere überwinden und von tiefen Fallen eingefangen werden können, wie in Abb. 7 dargestellt. Die tiefen Fallen hängen mit natürlichen Defekten, Verunreinigungen und Versetzungen im Allgemeinen zusammen10,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29. Das durch tiefe Fallen induzierte Einfangen führt zu einer erheblichen Verringerung der 2DEG-Dichte innerhalb des Kanals, was zu einer Verringerung des Ausgangsstroms des GaN-HEMT und letztendlich zu einer starken Verringerung der Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers führt. Die für verschiedene Transistorstrukturen gemessenen charakteristischen Relaxationszeiten der Tiefenfallen variieren stark von Mikrosekunden bis zu mehreren zehn Millisekunden10,30, was im Wesentlichen mit der durch Mikrowellenimpulse induzierten Interferenzzeit übereinstimmt. Je höher die Spitzenleistung der Mikrowellenimpulse, desto stärker ist das elektrische Feld, das an den Drain des GaN-HEMT gekoppelt ist, und desto mehr Energie kann das 2DEG einfangen und desto tiefere Fallen fangen mehr Elektronen ein. Daher nehmen die Interferenzzeit und die maximale Interferenzamplitude mit der Erhöhung der Spitzenleistung der umgekehrt injizierten Mikrowellenimpulse zu.

Schematische Darstellung des durch Mikrowellenpulse induzierten Einfangens im GaN-HEMT.

Das Prinzip des pseudomorphen GaAs-Transistors mit hoher Elektronenmobilität (PHEMT) und des GaN-HEMT ist ähnlich, beide sind Transistoren mit hoher Elektronenmobilität, die über das 2DEG arbeiten. GaAs-PHEMT weist aufgrund seiner Materialeigenschaften und Wachstumsbedingungen eine viel geringere Konzentration an tiefen Fallen auf als GaN-HEMT31,32,33,34. Um den durch die Tiefenfalle verursachten Interferenzeffekt weiter zu verifizieren, haben wir einen GaAs-pHEMT-Leistungsverstärker (BW234) ausgewählt, um das gleiche Experiment durchzuführen.

Die integrierte GaAs-pHEMT-Leistungsverstärkerschaltung BW234 wurde vom 13. Forschungsinstitut der China Electronics Technology Group Corporation hergestellt. Der Leistungsverstärker wurde auch für den Betrieb im S-Band (2,7–3,5 GHz) des elektromagnetischen Spektrums entwickelt. Der GaAs-pHEMT-Leistungsverstärker kann typischerweise 40 dBm (ca. 10 Watt) gesättigte Ausgangsleistung mit einer Leistungsverstärkung von 24 dB bei 3 GHz liefern. Der maximale Wirkungsgrad der Leistungssteigerung betrug 33 %. VGate wurde auf −0,7 V und VDrain auf +8 V eingestellt. Im Gegensatz zum GaN-HEMT wurde die Spitzenleistung der umgekehrt injizierten Mikrowellenimpulse kontinuierlich erhöht, es wurden jedoch keine Störungen festgestellt, bis der GaAs-PHEMT-Leistungsverstärker durchgebrannt war. Dieses ergänzende Experiment bestätigte außerdem, dass die durch Mikrowellenimpulse verursachten Interferenzeffekte im GaN-HEMT-Leistungsverstärker mit den Tiefenfallen im Inneren des Geräts zusammenhängen. Ein Isolator ist ein 2-Port-Gerät, das Signale nur in eine Richtung überträgt und verhindert, dass sie in die andere Richtung gelangen35. Durch Hinzufügen eines Isolators zum Ausgang des GaN-HEMT-Leistungsverstärkers kann dieses Phänomen verbessert werden.

Zusammenfassend haben wir die durch Mikrowellenimpulse induzierten Interferenzeffekte im GaN-HEMT-Leistungsverstärker untersucht. Es wurde festgestellt, dass das normale Ausgangssignal des GaN-HEMT-Leistungsverstärkers gestört werden kann, wenn die Mikrowellenimpulse vom Ausgangsende des Geräts rückwärts eingespeist werden. Die Interferenzzeit kann in der Größenordnung von Millisekunden liegen. Die Interferenzzeit und die maximale Interferenzamplitude nehmen mit der Erhöhung der Spitzenleistung der umgekehrt injizierten Mikrowellenimpulse zu. Durch Analysen und Vergleichsexperimente wird bestätigt, dass der durch tiefe Fallen verursachte Einfang der Hauptgrund für dieses Phänomen ist. Dieser Befund ist hilfreich für die Schutzverstärkung der GaN-basierten Geräte.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Wissenschaft und Technologie im Hochleistungsmikrowellenlabor, Institut für Angewandte Elektronik, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621900, China

Jingtao Zhao, Chaoyang Chen, Zhidong Chen, Zhong Liu und Gang Zhao

Schlüssellabor für Wissenschaft und Technologie für komplexe elektromagnetische Umgebungen, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621900, China

Jingtao Zhao, Chaoyang Chen, Zhidong Chen, Zhong Liu und Gang Zhao

Institut für Elektrotechnik der China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621999, China

Quanyou Chen

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JTZ, GZ und CYC haben die Experimente entworfen. JTZ, ZL und ZDC führten die Experimente durch. JTZ und QYC analysierten die Daten und verfassten das Hauptmanuskript. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Gang Zhao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhao, J., Chen, Q., Chen, C. et al. Durch Mikrowellenimpulse induzierte Interferenzeffekte in einem GaN-Transistor-Leistungsverstärker mit hoher Elektronenmobilität. Sci Rep 12, 16922 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21324-y

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Eingegangen: 22. Juni 2022

Angenommen: 26. September 2022

Veröffentlicht: 08. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21324-y

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