Design and implementation technology of high-efficiency GaN-HEMT power amplifiers in MIC technology

Diese Dissertation ist das Ergebnis von mehr als drei Jahren Forschung und Entwicklung an der Technischen Universität Berlin, Fachgebiet Mikrowellentechnik. Während dieser Zeit wurden hochfrequente, hybride Leistungsverstärker auf Basis von Gallium-Nitrid HEMT Technologie der Firma Wolfspeed im Ku-Band und X-Band entwickelt und aufgebaut. Das hybride Design der Verstärkerstufen stützt sich auf die 250 nm GaN-HEMT Bare- Die Technologie von Wolfspeed, speziell werden die Transistoren CGHV1J025D und CGHV1J070D genutzt. Die simulativen Analysen der Transistoren werden anhand des CGHV1J006D, welcher die Grundlage der Transistorfamilie bildet, durchgeführt. Die Substrattechnologie, die auf einer Keramik, Al2O3, basiert, sowie alle passiven Strukturen werden abgehandelt. Schwerpunkt liegt jedoch auf der technischen Realisierung der Verstärkerstufen. Der Einfluss von parasitären Effekten, sowie Prozesstoleranzen sind mit steigender Frequenz zunehmend schwerer handzuhaben. Diesbezüglich wird ein zuverlässiger Prozess für die Realisierung hybrider, hochfrequenter Schaltungen detailliert analysiert und umgesetzt. Dieser beinhaltet die Lötung der Bare-Dies mittels einer Au/Sn Preform, als auch die Fixierung des Substrats in einem zweiten Prozessschritt. Der Masse-Übergangswiderstand zwischen Substrat und Transistor ist als kritisch anzusehen und hat starken Einfluss auf die Verstärkung und Ausgangsleistung des Verstärkers. Hierbei wird auf zwei Verfahren detailliert eingegangen, die Anwendung von leitfähigem Kleber und ein Lötverfahren mittels Indium. Die Messergebnisse der entwickelten Verstärkermodule sind konkurrenzfähig im Vergleich zu dem Stand der Technik, zu dem Zeitpunkt dieser Dissertation. Eine erreichte Ausgangsleistung zwischen 15 − 20 W bei einer Effizienz von mehr als 40% konnte in dem X-Band Frequenzbereich von 8−11 GHz erzielt werden. Zwei weitere, schmalbandige Verstärkerstufen mit einer Ausgangsleistung von 18 W, bzw. 50 W wurden für den Ku-Band Frequenzbereich von 13,75 − 14,5 GHz entwickelt und erfolgreich realisiert. Die Effizienz der Verstärker beläuft sich jeweils auf mehr als 30%.This dissertation is the result of more than three years of research and development at the Berlin Institute of Technology, Microwave Engineering Laboratory. During this time, hybrid high-frequency power amplifiers in the Ku-band and X-band based on Gallium-Nitride HEMT technology from Wolfspeed were developed and assembled. The hybrid design of the power amplifiers is based on Wolfspeed 250 nm GaN-HEMT baredie technology, specifically the transistors CGHV1J025D and CGHV1J070D are used. The analyses of the transistors are performed using the CGHV1J006D simulation device model, which forms the baseline of the transistor family. The substrate technology which is based on alumina, Al2O3, and all passive structures are discussed. Emphasis is however on the technical realization of the amplifier modules. The influence of parasitic effects, as well as process tolerances is increasingly difficult to handle with increasing frequency. In this regard, a reliable process for the realization of hybrid high-frequency circuits is analyzed in detail and implemented. This includes the soldering of the bare-dies by means of an Au/Sn preform, as well as the fixation of the substrate in a second process step. The ground contact resistance, i.e. the transition between substrate and transistor, is critical and has a significant influence on the gain and output power of the amplifier. Two methods are discussed in detail, namely the use of conductive adhesive and a soldering process utilizing indium. The measurement results of the developed amplifier modules are competitive compared to State-of-the-Art, at the time of this dissertation. An output power of 15 − 20 W and an efficiency of more than 40% are achieved in the X-band frequency range of 8 − 11 GHz. Two additional narrowband amplifier stages with output powers of 18 W, and 50 W, respectively, have been developed and successfully implemented for the Ku-band frequency range of 13,75 − 14,5 GHz. The efficiency of the amplifiers amounts to more than 30% each