用于毫米波应用的GaN-on-Si（工艺、案例）

“用于毫米波应用的 GaN-on-Si”，涵盖了用于毫米波应用的 GaN-on-Si 工艺和设计工具，以及用于射频和毫米波应用的 GaN-on-Si 衬底。另一个重点是基于 60 nm GaN-on-Si 的毫米波放大器，用于射频传感和无线通信。

01

用于毫米波前端的

GaN-on-Si 工艺和设计工具

（Rémy Leblanc，OMMIC）

# 为什么选择氮化镓？• 更高的功率密度=> 更小的 MMIC 尺寸• 更高的功率附加效率=> 更好的热管理无论如何，微波 GaN 的商业报价是有限的

# 为什么选择 GaN-on-Si ？“Si基”的优点：• 成本低，直径大，与5G兼容• 进口/出口限制的风险较低• 与异质集成兼容“Si基”的缺点：• 更高的 Rth (≈ x2)，但对毫米波中功率的影响有限• 更高的微波损耗，但影响有限，因为外延很好（0.3dB/mm @30GHz）

# OMMIC D01GH/D006GH GaN-on-Si

02

用于射频传感和无线通信的

60 nm GaN-on-Si 毫米波放大器

(Robert Malmqvist, FOI)

# 大纲• 介绍• 60 nm GaN-on-Silicon HEMT 工艺• 共面波导测试结构（线路和晶体管）• 制造的 E/W 波段放大器 MMIC 的结果（示例）• 总结和结论


# 介绍
• 毫米波应用（例如 5G 和短程雷达传感器）将需要紧凑、低成本和高能效的电子波束控制系统（有源相控阵）• SERENA 项目旨在通过集成硅上氮化镓 (GaN-on-Si) 技术实现高功率和高效率，其输出功率比 SiGe/CMOS 高 10 倍

# 短程雷达传感器（无人机应用）• 带有 5-6 GHz 雷达传感器单元的小型无人机由 FOI 开发并用于 SAR 测量• 移至更高频率（毫米波）以使有源相控阵天线能够适应更小的平台

# OMMIC 的 60nm GaN-on-Si 工艺• OMMIC 开发了 100 nm 和 60 nm GaN-on-Si HEMT 工艺（D01GH 和 D006GH）• 与 70 nm GaAs mHEMT 工艺 (D007IH) 相比，60 nm GaN-on-Si 工艺在 35 GHz 下具有相当的噪声系数和增益，以及更高的击穿电压/功率处理能力

# 单芯片收发器架构• 用于 E/W 波段多功能前端的单芯片收发器架构，包括 PA/LNA 和上/下转换器（无线通信和短程雷达应用）• 本演示文稿的重点是验证制造的 60 nm GaN-on-Si 无源和有源测试电路（传输线、晶体管和放大器电路）

# 制造的被动测试结构• 接地共面波导用于防止在 E/W 波段出现不需要的高阶传输模式（基板厚度为 100 mm）• 测得的传输损耗在 2-110 GHz (≤0.6 dB/mm) 时低于 1.4 dB，在此频率范围内测得的 s11 为 18 dB 或更低（对放大器增益的影响不会太大）


# 有源测试结构• 2x22 mm HEMT 器件用于高达 E/W 波段 (70-95 GHz) 的高增益/低噪声放大器电路• 当 VDS=5.5 V 和 IDS=16 mA 时，测得的 s21 在 2-10 dB @ 2-110 GHz 之间• 以 dB 为单位的测量和模拟 s 参数之间的一致性相对接近（相位偏移稍大）

# 60 nm GaN-on-Si 放大器（1 级）• 单级低噪声放大器电路，在 T 形接头处具有直流偏置线连接• 匹配网络包括传输线、电容器和电阻器，以确保无条件稳定性

# 60 nm GaN-on-Si 放大器（1 级）• 测得的增益为 8 dB @ 74 GHz 和大约 3 dB @ 92-95 GHz (Vd=5.5 V Id=18mA)• s21 在 92-95 GHz 时略高，而当 Vd=10 V 和 Id=15 mA 时，增益在较低频率下降低• 与模拟相比，测量的 s11 和 s22 向较低频率偏移

# 60 nm GaN-on-Si 放大器（1 级）• 使用更高版本的代工厂 PDK 可以在测量结果和模拟结果之间获得更接近的一致性

# 60 nm GaN-on-Si 放大器（2级）• 级联 2 级低噪声放大器（使用线路和串联电容器实现级间匹配）• 输出匹配网络稍微短一些，以适应另一个电路

# 60 nm GaN-on-Si 放大器（2级）• 测得的增益为 16 dB @ 73 GHz 和 5-6 dB @ 92-95 GHz (Vd=5.5 V Id=36 mA)• 当 Vd=10 V 和 Id=30 mA 时，s21 在 92-95 GHz 时高 1 dB• 与模拟相比，测量的 s11 和 s22 向较低频率偏移

# 60 nm GaN-on-Si 放大器（2级）• 使用更高版本的代工厂 PDK 可以在测量结果和模拟结果之间获得更接近的一致性

# 60 nm GaN-on-Si 放大器（2级）• 在 Id=10 mA 和 Vd=5V/10V 时测得的 NF ≤ 3-4 dB @ 90-95 GHz• 当 Id 为 20-30 mA（每级 10-15 mA）时，测得的 NF 为 3-5 dB @ 90-99 GHz，以提供更高的放大器增益（当 Vd=10V 和 Id=14 时测量 P1dB=9/13 dBm /28 mA 每级）• 结果表明 60 nm GaN-on-Si 放大器在高达 95 GHz 时具有 3-5 dB 的测量 NF 的可行性

# 总结与结论• 60 nm GaN-on-Si 放大器，在高达 95 GHz 时测得的 NF 和 P1dB 为 3-5 dB 和 9-13 dBm• 使用代工厂PDK的后期版本，测量/模拟结果更接近一致。• E/W 波段上/下变频混频器电路和单芯片前端也已在相同的 60 nm GaN-Si 工艺 (D006GH) 中成功验证

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