THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2016 Oct.; 27(10 892 899. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2016.27.10.892 ISSN 1226-3133 (Print ISSN 2288-226X (Online X- 50 W GaN HEMT X-Band 50 W Pulse-Mode GaN HEMT Internally Matched Power Amplifier 강현석 배경태 이익준 차현원 민병규 강동민 김동욱 Hyun-Seok Kang Kyung-Tae Bae Ik-Joon Lee Hyen-Won Cha* Byoung-Gue Min** Dong-Min Kang** Dong-Wook Kim 요약 0.25 μm GaN HEMT ETRI 80 150 μm X- 50 W.. 10.2 100 μs 10 % 9.2 GHz 47.46 dbm(55.5 W 46.6 %. 9.0 9.5 GHz 47 47.46 dbm(50 55.7 W 9.0 9.3 GHz 43 % 9.4 9.5 GHz 36 %. Abstract In this paper an X-band 50 W internally matched power amplifier is designed and fabricated using an 80 150 μm GaN HEMT that is developed by the 0.25 μm GaN HEMT process of ETRI. The optimum source and load impedances are experimentally extracted from the loadpull measurement using impedance-transform-prematching circuits and the transistor performance is predicted. The power performance of the internally matched power amplifier whose matching circuits are fabricated on a substrate with ε r of 10.2 is measured under the pulsed mode of 100 μs pulse period and 10 % duty cycle and the best output power of 47.46 dbm(55.5 W and the power-added efficiency of 46.6 % are obtained at 9.2 GHz. The output power of 47 47.46 dbm(50 55.7 W is measured in 9.0 9.5 GHz and the power-added efficiency is measured to be greater than 43 % in 9.0 9.3 GHz and above 36 % in 9.4 9.5 GHz. Key words: GaN HEMT Power Amplifier Internally Matched X-Band. 서론. 2016 CNU. (Department of Radio and Information Communications Engineering Chungnam National University *( (GP Incorporation ** (Electronics and Telecommunications Research Institute Manuscript received September 12 2016 ; Revised October 13 2016 ; Accepted October 18 2016. (ID No. 20160912-096 Corresponding Author: Dong-Wook Kim (e-mail: dwkim21c@cnu.ac.kr 892 c Copyright The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. All Rights Reserved.
X- 50 W GaN HEMT. GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor Si BJT(Bipolar Junction Transistor LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor GaAs HBT(Heterojunction Bipolar Transistor phemt [1]. Cree TriQuint GaN HEMT MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit Tri- Quint UMS WIN Semiconductors GaN HEMT [2] [7]. ETRI 0.25 μm GaN HEMT X-.... GaN HEMT 소자제작공정및특성 0.25 μm T- GaN HEMT ETRI 1 [8]. 0.25 μm SiC (ohmic. Ti/Al/Ni/Au 300 /1000 /300 /1000 2600. (active layer Phosphorus 500 SiN x. (a (ohmic (a Ohmic process (c 1 (c First metallization (e SiNx (e SiNx passivation (b (b Isolation process (d T (d T-gate process (f (f Air-bridge process 그림 1. 0.25 μm GaN HEMT Fig. 1. Cross section of each process step for a 0.25 μm GaN HEMT. Ti/Au T-. T- 2. Au air bridge 3 μm air bridge. 100 μm lapping (dicing. 0.25 μm GaN HEMT 3 893
THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27 no. 10 Oct. 2016. 해야 한다. 사전 정합 회로의 설계는 10 Ω의 특성 임피던스를 가 지는 마이크로스트립 선로 형태의 임피던스 변환기를 사 용하여 이루어졌으며 그림 4에 나타낸 바와 같이 튜너의 임피던스 범위를 더 높은 VSWR을 가지는 임피던스 구간 으로 변화시켰다. 드레인 측의 변환된 튜닝 임피던스 구 간은 게이트 측에 비해 10도 정도 위상 천이되어 있으며 이는 마이크로스트립 임피던스 변환기의 선로 길이 변화 를 통해 구현되었다. 사전 정합 회로에 사용된 기판은 Roger사의 비유전율 10.2 두께 10 mil의 duroid 6010LM을 사용하였으며 기판의 Cu 선로에 두꺼운 Au 전해도금 을 함으로써 트랜지스터 칩의 와이어본딩을 용이하게 하 였다. 그림 5는 Maury Microwave사의 로드풀 시스템을 사용 한 측정 셋업을 보여주고 있으며 트랜지스터의 출력 전 력이 최대 60 W(47.8 dbm까지 예상되었기 때문에 약 46 dbm의 출력 전력을 낼 수 있는 증폭기가 측정 셋엡에서 구동증폭기로 사용되었다. 연속파(Continuous Wave: CW [9] 게이트 전극의 단면 사진 그림 2. TFig. 2. Microphotograph of a T-gate electrode. 제작된 칩 사진 그림 3. 0.25 μm GaN HEMT Fig. 3. Microphotograph of the fabricated 0.25 μm GaN HEMT. 나 있고 2 150 μm 단위 전력소자 기준으로 DC 특성을 측정한 결과 I =178 ma V = 3.34 V g =312 ms/ mm 의 값을 보였으며 항복전압은 120 V 이상으로 확인되었 다. 단위 전력소자의 RF 전력 특성은 로드풀 측정을 통해 확인되었으며 9.3 GHz의 주파수에서 V =30 V I =93 ma일 때 선형이득 19.2 db 포화 출력 전력 31.5 dbm (4.68 W/mm 전력부가효율(Power-Added Efficiency: PAE 49 %의 값을 얻었다. DSS th m DS DS Ⅲ. 로드풀 측정 및 최적 임피던스 추출 본 논문에서 사용한 0.25 μm GaN HEMT는 80 150 μm 로 총 게이트 길이가 12 mm이며 소자의 비선형 모델이 현재 구축되어 있지 않아 최적의 출력 임피던스를 얻기 위해 로드풀 측정을 수행하여야 한다. 로드풀 측정은 Maury Microwave 튜너 장비를 사용하여 이루어졌으며 GaN HEMT의 출력 전력이 커질수록 소자의 크기가 커져 최적 부하 임피던스는 작아진다. 따라서 제한된 임피던스 범위를 가지는 튜너로 정확한 최적 임피던스를 찾기 위 해서는 적절한 사전 정합 회로를 이용하여 측정을 수행 894 에서의 튜너의 임피던스 분포도 및 임피 던스 변환기를 통해 바라본 게이트 및 드레인 측 에서의 소스 및 부하 임피던스 분포도 그림 4. 9.5 GHz Fig. 4. Impedance range of the tuner at 9.5 GHz and the source and load impedance ranges at the gate and drain sides transformed by impedance-transform-prematching circuits.
X- 50 W GaN HEMT (a 그림 5. Fig. 5. Loadpull measurement setup. 8 db 46 dbm. GaN HEMT. (contour map. 6. 1. 표 1. Table 1. Large-signal optimum source and load impedances of the transistor extracted from the loadpull measurement. Frequency 9 GHz 1.069+j3.201 1.670+j3.602 9.5 GHz 0.869+j3.785 1.982+j4.445 10 GHz 0.742+j4.603 2.132+j5.433 (b 그림 6. GaN HEMT. (a (b Fig. 6. Photograph of the GaN HEMT with prematching circuits and a schematic circuit for deembedding prematching circuits.. 내부정합전력증폭기제작및측정 4-1 내부정합전력증폭기설계및제작 1. 80 150 μm GaN.. Roger 6010LM CuW 9 8 mm. 7. GaN HEMT 895
THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27 no. 10 Oct. 2016. 그림 7. Fig. 7. Photograph of the fabricated internally matched power amplifier. (eutectic.. 4-2 내부정합전력증폭기의측정결과 30 V 500 ma ( = 2.9 V. 8 S-. 9 9.5 GHz 8 9 db 9.0 9.4 GHz 10 db. 7 9 9.5 GHz. 100 10 % X-. 50 W 37 V. Agilent N2893A MSO7104A Mixed Signal Oscilloscope 그림 8. S- Fig. 8. Measured S-parameter results of the internally matched power amplifier.. 9 9.5 GHz 9. 3.5 mm. 9(a 9.2 GHz. 47.46 dbm(55.5 W 8.8 db 46.6 %. 9(b 9.0 9.5 GHz. 47 47.46 dbm(50 55.7 W 9.0 9.3 GHz 43 % 9.4 9.5 GHz 36 %. 7.6 8.8 db. 2 GaN HEMT. 100 W. 896
X- 50 W GaN HEMT 표 2. Table 2. Performance comparison of the fabricated power amplifier and recently published results. (a 9.2 GHz (a Output power performance with input power at 9.2 GHz [GHz] This work Ref. [9] Ref. [10] Ref. [11] Ref. [12] 9.0 9.5 9.0 9.5 9.5 10.5 9.6 8.5 10 GaN HEMT V D [V] 37 30 40 34 65 [db] 9.5 8.7 10.3 6.1 10.0 P out [W] 50 56 40 69 120 310 PAE [ %] 36 47 36 35 N.A. 37 [W/mm 2 ] 0.39 a 0.15 a 0.25 b 0.44 b 0.74 b a Based on the open carrier size b Based on the package size (b (b Output power performance with frequency 그림 9. Fig. 9. Measured output power performance results of the fabricated power amplifier.. 결론 0.25 μm GaN HEMT ETRI 80 150 μm X- 50 W.. 9.2 GHz 56 W 47 % X-. GaN HEMT X-. References [1] D. W. Runton B. Trabert J. B. Shealy and R. Vetury "History of GaN: High-power RF gallium nitride(gan from infancy to manufacturable process and beyond" IEEE Microwave Magazine vol. 14 no. 3 pp. 82-93 May 2013. [2] Cree Inc. http://www.wolfspeed.com/rf [3] Qorvo Inc. http://www.triquint.com [4] "GaN HEMT X- " 27(1 pp. 20-26 2016. [5] United Monolithic Semiconductors http://www.ums-gaas. com 897
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대역 50 W급 펄스 모드 GaN HEMT 내부 정합 전력 증폭기 X- 민병 규 년 월 연세대학교 금속공학과 (공학 사 년 월 연세대학교 금속공학과 (공학 석사 년 월 연세대학교 재료공학과 (공학 박사 년 월 현재: 한국전자통신연구원 RF융합부품연구실 책임연구원 [주 관심분야] 화합물반도체 소자 설계 MMIC 회로 설계 1991 2 : 1993 2 : 1998 2 : 1998 3 김동 욱 년 2월: 한양대학교 전자통신공학과 공학사 년 2월: 한국과학기술원 전기및전자 공학과 (공학석사 1996년 8월: 한국과학기술원 전기및전자 공학과 (공학박사 1991년 8월 2000년 5월: LG 종합기술원 선임연구원 2000년 6월 2002년 8월: (주텔레포스 연구소장 2002년 9월 2004년 9월: 에스원기술연구소 응용기술팀장 2009년 9월 2009년 12월: ETRI 초빙연구원 2010년 1월 2011년 1월: 미국 UCSD Visiting Scholar 2004년 10월 현재: 충남대학교 전파공학과 교수 [주 관심분야] 초고속 및 초고주파 집적회로 마이크로파 및 밀 리미터파 전력증폭기 모듈 근거리 레이더 모듈 1990 ( 1992 강동 민 년 월 순천대학교 전자공학과 (공학 사 년 월 광운대학교 전자공학과 (공학 석사 년 월 충북대학교 전파공학과 (공학 박사 년 년 주 마이크로통신 2000년 현재: 한국전자통신연구원 융합부품연구실 [주 관심분야] 화합물반도체 소자 및 설계 1997 2 : 1999 2 : 2009 8 : 1998 2000 : ( RF MMIC 899