Fabrication, modeling and characterization of GaN HEMTs, and design of high power MMIC amplifiers

Daha hızlı ve daha yüksek kapasiteli uzun mesafe kablosuz veri iletimi, askeri ve sivil uygulamalarda yaygın bir ihtiyaç haline geldikçe; ileri düzey telekomunikasyon sistemlerindeki yüksek güç ve yüksek frekans gereksinimleri çok daha zor ulaşılabilir hale gelmiştir. Günümüzün gelişimini tamamlamış yarıiletken teknolojileri, yüksek güç birimlerinde belirlenen ihtiyaçları karşılama noktasında kendi limitlerine ulaşmış durumdadır. Bu koşullarda, bahsedilen sorunların çözümü ve daha ileri hedeflerin gerçekleştirilmesi ancak daha yüksek kapasiteli bir teknoloji aracılığı ile mümkün görülmektedir. GaN HEMT aygıt teknolojisi mikrodalga ve milimetre dalga frekanslarinda diğer eşdeğer teknolojilere kıyasla en az 10 kat daha fazla çıkış güç performansı vaadetmektedir. Bu teknolojinin araştırma geliştirme süreci, HEMT aygıt oluşumu altında yatan fiziksel prensiplere çok iyi derecede hakim olmayı gerektirmektedir; yine bu sürecin, elverişli epitaksiyel yapı büyütme ve mikrofabrikasyon ekipmanları, ve yüksek doğruluk derecesinde büyük-işaret modelleme becerileri ile desteklenmesi gerekmektedir. Bu şartlar yerine getirilip GaN HEMT teknolojisi oluşturulduktan sonra MMIC güç yükselteç uygulamaları gerçekleştirilebilir.Bu çalışma üç ana başlık altında toplanabilir. İlk kısımda, GaN malzeme özellikleri, GaN HEMT aygıtların yarıiletken fiziği ve epitaksiyel tasarımı, MOCVD büyütme ve karakterizasyonu, mikrofabrikasyon adımları ve büyük işaret modelleme konuları ele alınarak, GaN HEMT teknolojisine en temelden başlayan ve sonuç olarak modeli çıkarılmış aktif aygıt noktasına kadar inceleyen bir yaklaşım ortaya konmuştur. GaN HEMT epitaksiyel yapılarımızda tipik olarak, iki boyutlu elektron gazı (2DEG) taşıyıcı yoğunluğu 1xE13 cm-2 mertebesinde ve elektron mobilitesi değerleri 1500 ila 2000 cm2/V?s arasında elde edilmiştir. Fabrikasyonu tamamlanmış 6x150um'luk bir GaN HEMT aygıtında, 900mA/mm maksimum drain akım yoğunluğu, 32GHz fT, ve 40GHz fmax değerlerine ulaşılmıştır. Kapı uzunluğu 1um olan 4x200um'luk bir aygıtın büyük-işaret modeli başarılı bir şekilde elde edilmiştir. İkinci kısımda, çıkarılan bu model, merkez frekansı 2GHz olan ve coplanar dalga kılavuzu yapısında pasif elemanlar içeren iki çeşit MMIC güç yülselteci tasarımında kullanılmıştır. Bu tasarımlarda 1dB kompresyon noktasında sırasıyla, ~2W ve ~4W çıkış gücü, ve ~%42 ve ~%35 güç katkılı verim (PAE) değerleri oluşturulmuştur. Son kısımda, tasarım tecrübelerimizi UMS firmasının GaAs pHEMT tasarım kitini kullanarak uygulamaya geçirdik. Hedeflenen geniş bant (18-22GHz) ve yüksek güç kapasitesine ulaşabilmek için iki aşamalı dengeli güç yükselteç topolojisi kullanılmıştır. Simulasyon sonuçlarına göre bu frekans bandında, yaklaşık 2W çıkış gücü ve %31 ila %35 arasında değişen PAE değerleri elde edilmiştir. Küçük işaret ölçümleri simulasyonlarla oldukça uyum içerisinde çıkmış hatta daha iyi sonuçlar vermiştir. CW çıkış gücü ölçüm sonuçları HB simulasyon sonuçlarının 1-2dB civarında altında kalmıştır. Bu durumun nedeni ise kullanılan tasarım kitinin atmalı ölçümlere dayalı transistor modelleri içermesidir. Ölçümler sonucunda yapılan MMIC PA tasarımının etkinliği ve doğruluğu ortaya konmuştur.Anahtar kelimeler: GaN HEMT, MMIC PA tasarımı, MOCVD büyütme, mikrofabrikasyon, büyük-işaret modelleme, K-bant dengeli MMIC PA tasarımı, GaAs pHEMT.