Gallium nitride based transistors for high-efficiency microwave switch-mode amplifiers [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Stephan Maroldt

Stephan Maroldt

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• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: English
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Extrait

Gallium Nitride Based Transistors
for High-Efficiency Microwave
Switch-Mode Amplifiers




Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades
an der Technischen Fakultät
der Albert-Ludwigs Universität Freiburg im Breisgau







vorgelegt von
Dipl.-Ing. Stephan Maroldt



Juni 2010


Dekan: Prof. Dr. Hans Zappe
Referent: Prof. Dr. rer. nat. Oliver Ambacher
Koreferent: PD Dr.-Ing. habil. Frank Schwierz
Datum der Prüfung: 11.11.2010

II Abstract
Highly-efficient switch-mode power amplifiers form key elements in future fully-digital
base stations for mobile communication. This novel digital base station concept reduces
system energy consumption, complexity, size and costs, while the flexibility in terms of
multi-band operation and signal modulation improves. In this work, innovative core circuits
for digital high-efficiency class-D and class-S power amplifiers based on gallium nitride
(GaN) technology were developed for the application in digital base stations. A combination
of optimized GaN devices and improvements in circuit design allow a highly-efficient switch-
mode operation at mobile communication frequencies between 0.45 GHz and 2 GHz.
Transistor device modeling for switch-mode operation, the simulation environment, and a
broadband measurement system were established for the design and evaluation of digital
switch-mode power amplifiers. The design of broadband core circuits for switch-mode
amplifier concepts was analyzed for dual-stage amplifier circuits, using an initial GaN
technology with a gate length of 0.25 μm. A speed-enhanced driver stage improved the circuit
switching speed sufficiently above 1 GHz. Speed and efficiency of the amplifier core circuits
were studied related to transistor parameters like cut-off frequency or gate capacitance. A
reduced gate length was found to improve the switching speed, while a lower on-resistance
allows the reduction of the inherent static losses of the GaN-based switches. Apart from this,
the restriction to a 50 Ohm environment was found to be the major output power and
switching speed limitation, due to a poor drive capability at the input of the GaN circuit.
Finally, the optimized transistor and circuit design with an output gate width of 1.2 mm
were effectively implemented in the given environment for an operation up to 2 GHz with a
high drain efficiency of > 65% and a digital output power of 5 W. A maximum output power
of 9.7 W and a circuit efficiency of > 80% were achieved for an operation at 0.45 GHz when
adjusting the transistor size for lower operation frequencies.
A further decisive improvement of speed and circuit complexity was found by the
implementation of enhancement-mode GaN transistors based on a high-transconductance
gate-recess technology. Transistors with a threshold voltage of +1 V were demonstrated with
a high current drive capability and a maximum transconductance of up to 600 mS/mm. Their
reduced input voltage swing tremendously increases the compatibility of digital power
amplifier circuits based on GaN and external digital driver and modulation circuits based on
silicon technology.
Moreover, an innovative development, the series-diode GaN transistor, replaces an off-
chip hybrid diode in the class-S amplifier with an integrated solution. It reduces parasitic
switching losses and improves the total amplifier properties in terms of operation frequency,
efficiency, and circuit complexity. A differential switch-mode core chip featuring series-diode
transistors and additional on-chip filter elements enabled our partner EADS to realize the first
class-S amplifier at 2 GHz worldwide in a module.
III Zusammenfassung
Schaltverstärker mit hoher Energieeffizienz und Ausgangsleistung sind Schlüsselelemente
für die neueste Generation von Mobilfunkbasisstationen. Diese neuen digitalen Basisstationen
verringern den Energieverbrauch, die Kosten und die Baugröße einer Basisstation, wobei
gleichzeitig die Möglichkeit eröffnet wird, mehrere Frequenzbänder und Mobilfunkstandards
mit einem System zu bedienen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unter Verwendung der
Galliumnitrid-Technologie (GaN-Technologie) neuartige integrierte Leistungsverstärker-
schaltungen entwickelt. Der Einsatz dieser Schaltungen in digitalen Klasse-D und Klasse-S
Schaltverstärker in einer digitalen Basisstation trägt erheblich zur Verbesserung der
Energieeffizienz bei. Durch eine Optimierung der GaN-Bauelemente und der gleichzeitigen
Weiterentwicklung im Schaltungsdesign konnte erstmals eine Anwendung dieser Schaltungen
im Mobilfunkfrequenzbereich zwischen 0.45 GHz und 2 GHz ermöglicht werden.
Dazu wurde zunächst ein Transistormodell für den Schaltbetrieb erstellt sowie eine
Simulationsumgebung und ein Breitbandmesssystem für die Entwicklung des digitalen
Schaltverstärkers eingerichtet. Der Entwurf der integrierten Schaltungen für den Einsatz in
breitbandigen Schaltverstärkerkonzepten wurde am Beispiel eines zweistufigen
Leistungsverstärkers untersucht, für den eine GaN-Technologie mit 0.25 μm Gatelänge
verwendet wurde. Hierbei konnte die Schaltfrequenz durch eine gezielte
Geschwindigkeitsoptimierung der Treiberschaltung auf über 1 GHz erhöht werden. Weiterhin
wurde der Einfluss der Transistoreigenschaften, wie zum Beispiel der Grenzfrequenz und
Gatekapazität, auf die Geschwindigkeit und die Effizienz der Basisschaltungen untersucht.
Dabei konnte gezeigt werden, dass eine Reduzierung der Gatelänge deutlich zur Erhöhung der
Schaltgeschwindigkeit beiträgt, während ein reduzierter Widerstand im eingeschalteten
Zustand des GaN-Transistors die statischen Verluste signifikant verringert. Neben diesen
Ergebnissen wurde die Beschränkung auf eine Umgebungsimpedanz von 50 als ein
wichtiger geschwindigkeitslimitierender Faktor identifiziert. Durch die hohe Impedanz des
externen Treibers kann die Eingangsgatekapazität der GaN-Schaltung nur langsam geladen
und entladen werden, wodurch die Schaltgeschwindigkeit begrenzt wird.
Verbesserte Schaltungs- und Transistordesigns ermöglichten letztendlich die Entwicklung
einer schnellen Verstärkerbasisschaltung mit 1.2 mm Gateweite in der Ausgangsstufe. Diese
kann digitale Signale bis zu einer Frequenz von 2 GHz mit einer hohen Draineffizienz > 65%
schalten, wobei eine digitalen Ausgangsleistung von 5 W erreicht wurde. Durch eine
angepasste Gateweite konnte eine hohe Ausgangsleistung von 9.7 W mit einer
Gesamteffizienz von über 80% für eine Frequenz von 0.45 GHz erreicht werden.



IV Weiterhin wurden GaN-basierte selbstsperrende Transistoren mit sehr hoher Steilheit
mittels einer so genannten gate-recess Technologie entwickelt. Diese ermöglichen eine
zusätzliche Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit sowie eine Vereinfachung der
Schaltungskomplexität. Es wurden Transistoren mit einer Schwellspannung von +1 V und mit
einer maximalen Steilheit bis zu 600 mS/mm realisiert, deren Ausgangsstrom und
Ausgangsleistung vergleichbar mit denen herkömmlicher selbstleitender Transistoren sind.
Durch ihre hohe Steilheit reduziert sich der benötigte Eingangsspannungshub zum An- und
Ausschalten des Transistors. Damit wird die Kompatibilität von GaN-basierten
Schaltverstärkerschaltungen zu externen digitalen Treiber- und Modulatorschaltungen, die in
Siliziumtechnologie hergestellt werden, erheblich verbessert und damit die Realisierbarkeit
der digitalen Basisstation vereinfacht.
Eine weitere innovative Entwicklung ist der Austausch einer hybriden Diode im
Modulaufbau des Class-S Verstärker durch eine integrierten Lösung on-chip, dem GaN
Transistor mit integrierter seriell geschalteter Diode. Dadurch werden parasitäre
Schaltverluste reduziert, die Schaltungskomplexität verringert und die maximale
Schaltfrequenz und Effizienz des gesamten Verstärkermoduls erhöht. Eine differentielle
Basisschaltung mit diesen Transistoren und zusätzlichen integrierten Filterelementen
ermöglichte dem Projektpartner EADS Deutschland die Realisierung des weltweit ersten
Class-S Verstärkermoduls bei 2 GHz.


V
Table of Contents


1 Introduction ......................................................................................................................1
1.1 State of the Art: Switch-Mode Amplifiers for Mobile Communication ...............3
2 Gallium Nitride Based Transistors for Microwave Switch-Mode Applications ..............5
2.1 Semiconductor Technology for AlGaN/GaN Transistors.....................................5
2.1.1 Epitaxy of the Heterostructure........................................................................5
2.1.2 Processing of GaN Heterostructure Field Effect Transistors .........................7
2.2 Modeling of GaN Transistors for Microwave Broadband Switching ...................10
2.2.1 Definition of Specific Transistor Properties...................................................12
2.3 Technological Realization of Enhancement-Mode GaN HFETs...................