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Modeling of dispersive millimeter-wave GaN HEMT devices for high power amplifier design

 
: Schwantuschke, D.
: Kallfass, I.; Ambacher, O.

Freiburg/Brsg., 2015, 194 S.
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2015
Englisch
Dissertation
Fraunhofer IAF ()

Abstract
Durch die stetige Entwicklung der letzten Jahre haben sich Galliumnitrid (GaN)-basierte, monolithisch integrierte Leistungs-verstärker zu einem idealen Kandidaten entwickelt um den steigenden Bedarf an Ausgangsleistung von heutigen und zukünftigen Millimeterwellen (mm-Wellen) Systemen zu decken. Besonders aufgrund ihrer fundamentalen physikalischen Eigenschaften sind die dabei verwendeten heterostrukturellen Aluminiumgalliumnitrid/Galliumnitrid (AlGaN/GaN) High-Electron-Mobility Transistoren anderen etablierten Halbleitertechnologien in Bezug auf hochfrequente Leistungsanwendungen deutlich überlegen. Deshalb wurde am Fraunhofer IAF eine 100 nm AlGaN/GaN Technologie für die Realisierung von schnellen Transistoren und mm-Wellen Leistungsverstärkern entwickelt. Für den Computer unterstützten Entwurf solcher Leistungsverstärker bedarf es eines skalierbaren, nichtlinearen Transistormodells. Solch ein Transistormodell muss in der Lage sein, die in GaN-Bauteilen auftretenden Niederfrequenzdispersions- und Memoryeffekte wiederzugeben. Mit Hilfe eines Zustandsraum-modells lassen sich solche dispersiven Bauelemente sehr genau beschreiben. Aus diesem Grund beschäftigt sich die vor-liegende Arbeit mit der Entwicklung eines skalierbaren Zustandsraummodells für die Beschreibung von dispersiven GaN Transistoren und dessen Anwendung am Beispiel zweier unterschiedlicher Leistungsverstärkerentwürfe, einem breitbandigen und einem Hochleistungsverstärkerentwurf. Die Entwicklung eines skalierbaren Transistormodells erfordert zu Beginn eine genaue Beschreibung der Arbeitspunkt-unabhängigen parasitären Elemente und deren Skalierungsregeln. In Rahmen dieser Arbeit wird daher ein neues Kleinsignal Ersatzschaltbild vorgestellt. Dieser neue kompakte Modellansatz, bestehend aus 26 Elementen, ermöglicht die genaue Beschreibung von Common-Source und Common-Gate Transistoren mit einer Fingerlänge zwischen WF = 15 . . . 100 µm und jeweils n(F,CS) = 2 . . . 8 bzw. n(F,CG) = 2 . . . 4 Gatefingern pro Bauelement. Für die exakte Bestimmung der skalierbaren Modellparameter wurde ein neues hybrides Extraktionsverfahren entwickelt, welches bei der Parameterextraktion auf Bauteil-beanspruchende Diodenstrom-Messungen verzichtet. Dieser neue kompakte Klein-signal- Modellansatz beschreibt den Frequenzverlauf der unterschiedlichen Transistoren bis zu einer Frequenz von 110 GHz mit sehr hoher Genauigkeit. Für die nichtlineare Beschreibung des Arbeitspunkt-abhängigen intrinsischen Transistors wird in dieser Arbeit ein Zustandsraummodell verwendet. Es wird gezeigt, dass sich verschiedene Zustandsraummodelle sehr gut mit einer quasi-statischen Beschreibung des nichtlinearen Drain-Stroms und der Flächenladungen im Bauelement vereinen lassen. Die verschiedenen Ansätze lassen sich so miteinander kombinieren, dass alle Ansätze das exakt gleiche DC- und Kleinsignalverhalten der aktiven Bauteile wiedergeben. Die unterschiedlichen Zustandsraummodelle unterscheiden sich da-bei aus-schließlich in ihrer dynamischen Großsignalantwort, welche im Rahmen dieser Arbeit mittels gepulsten DC- und Load-pull Großsignalmessungen verifiziert werden. Die drei untersuchten Drainstrommodelle lassen sich in Ausgang (nicht-) lineare und Zustands-(nicht-)lineare Ansätze unterscheiden. Dabei scheint der untersuchte nichtlineare Zustands-lineare Modellansatz am geeignetsten für den Entwurf von Leistungsverstärker MMICs, da dieser Ansatz das gemessene Großsignal-verhalten der Transistoren in der Simulation am besten wiedergibt. Des Weiteren stellt sich heraus, dass die lineare Super-position der beiden untersuchten linearen und nichtlinearen Zustandsraummodelle für die Beschreibung der Raumladungs-zonen der beste Kompromiss für eine Modellierung der Großsignalantwort der dispersiven Bauelemente ist. Um die Genauigkeit im Frequenzbereich von 75-110 GHz (W-Band) zu erhöhen, werden die Zustandsraummodelle um die Beschreibung von internen Laufzeiteffekten erweitert. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass aufgrund der unabhängigen Beschreibung der Transistor DC- und Kleinsignalcharakteristik nicht direkt zwischen Störstellen und Selbstheizungs-indizierter Dispersion unterschieden wer-den muss um die dispersiven Transistoren zu beschreiben. Trotzdem werden die Zustandsraummodelle mittels eines einfachen Produktansatzes um eine Beschreibung der Selbstheizung und der Temperaturabhängigkeit erweitert. Schlussfolgernd lässt sich zusammenfassen, dass ein skalierbares Zustandsraummodell entwickelt wurde, welches die Niederfrequenz und Selbstheizungs-Dispersionseffekte der untersuchten mm-Wellen GaN Transistoren beschreibt. Um das große Potential der verwendeten 100 nm AlGaN/GaN Technologie in Bezug auf Leistungsanwendungen für mm-Wellen Applikationen zu demonstrieren, wurden zwei verschiedenen Leistungsverstärker unter Verwendung des entwickelten skalierbaren Zustandsraum-Modells entworfen. Der entworfene Breitband-Leistungs-verstärker zeigt eine sehr hohe relative Bandbreite und deckt das gesamte Frequenzband zwischen 40-60GHz (U-Band) ab. Die gemessene Sättigungsausgangs-leistung dieses Verstärkers ist dabei größer als 24 dBm (250 mW). Für den entworfenen E-Band Leistungsverstärker wurde eine Sättigungsausgangsleistung von über 28.1dBm (645mW) bei einer Frequenz von 74 GHz gemessen. Für beide Verstärker zeigt der Vergleich zwischen Messung und Simulation eine sehr hohe Übereinstimmung. Des Weiteren sind die gemessenen Leistungsdichten der demonstrierten Verstärker in den jeweiligen Frequenzbereichen deutlich höher als bei vergleich-baren Galliumarsenid-basierten Leistungsverstärkern.

 

In recent years, monolithic integrated power amplifiers based on gallium nitride (GaN) have become an ideal candidate to meet the increasing demand for high solid-state power levels of today's and future millimeter-wave (mm-wave) systems. The heterostructure aluminum gallium nitride/gallium nitride (AlGaN/GaN) high electron mobility transistor devices outperform comparable state-of-the-art semiconductor technologies due to their superior fundamental properties regarding high-power and high-frequency applications. Therefore, a 100 nm AlGaN/GaN technology was developed by the Fraunhofer IAF which is intended for the realization of high-frequency transistors as well as high-power amplifiers for mm-wave frequency applications. The computer-aided design of such power amplifiers requires a scalable nonlinear model of the active transistor devices. Thereby, the nonlinear model must be capable to take low-frequency dispersion and memory effects into account, which are present in the considered mm-wave GaN technology. An elegant way to describe such dispersive devices is a state-space modeling approach. Therefore, this thesis addresses the development of a scalable state-space transistor model and its verification and applicability in terms of the design of two power amplifiers, a broadband and a high-power amplifier. First of all, the development of a scalable transistor model requires an accurate description of the bias independent parasitic elements and their scaling rules. In this work, a new fully scalable 26-term equivalent circuit model is presented. The compact model is capable to describe devices with the same lumped element network within a single finger length of WF = 15 . . . 100 ?m and for a number of gate fingers from n(F,CS) = 2 . . . 8 and n(F,CG) = 2 . . . 4 for common-source and -gate devices, respectively. A new hybrid extraction procedure is developed for the accurate determination of the scalable model parameters, avoiding gate-forward current measurements which are stressful and claiming for the devices. The employed compact small-signal model shows a high accuracy for the wide frequency range up to 110 GHz. Furthermore, a state-space approach is introduced for the nonlinear description of the bias dependent intrinsic transistor of the dispersive devices. It is shown that various state-space model approaches for the description of the nonlinear drain current and sheet charges can be integrated in a quasi-static model. The different approaches can be combined in a way that ensures an equal reproduction of the DC and the small-signal characteristics of the device. The various state-space approaches differ only in their dynamic large-signal response for nonlinear operating conditions, which is verified by both, pulsed-IV and load-pull measurements. In this work, three different drain current models are considered which distinguish between output-(non-) linear and state-(non-) linear approaches. The output-nonlinear state-linear drain current approach is found to be the most appropriate regarding the design of power amplifiers, because it shows the best accuracy between the measured and simulated largesignal performance. Furthermore, the linear superposition of the two investigated charge approaches is found to be the best compromise for an accurate description of the large-signal response of the dispersive device. To improve the model accuracy for high frequency ranges up to W-band (75-110 GHz), the state-space approach is extended by the description of intrinsic current charge delay phenomena. In addition, it is found that there is no direct need to separate between the trap- and self-heating induced dispersion due to the independent description of the DC- and small-signal characteristics. However, the dependency of the device performance as a function of temperature is also added to the investigated state-space approaches by a simple product separation approach. In conclusion, the scalable state-space model is capable to describe the low-frequency dispersion and thermal effects of the considered mm-wave GaN devices. With the use of the scalable state-space transistor model, two different power amplifiers are designed to demonstrate the high potential of the 100 nm AlGaN/GaN technology to improve the solid-state power levels for future millimeter-wave applications. The broadband power amplifier demonstrates a high relative band-width, covering the entire frequency range from 40-60 GHz (U-band). The measured saturated output power of this amplifier is above 24 dBm (250 mW). The E-band high-power amplifier yields a high saturated output power of 28.1 dBm (645mW) at 74 GHz. For both designs, the measured results are predicted by the considered state-space model with a very high accuracy leading to a better performance compared to state-of-the-art gallium arsenide (GaAs) power amplifiers.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-374911.html