Toshiba a réalisé cette performance inouïe en optimisant la couche épitaxiale et les structures de puces pour le fonctionnement en bande X. Le résultat est un TEC à GaN avec une densité de puissance qui atteint six fois celle d'un TEC à GaAs et dont la puissance de sortie est la plus élevée au monde à la fréquence de 9,5 GHz.

Toshiba a mis en place une technologie de fabrication pour les TEC à GaN dans une plage de 50 W et a commencé à produire des prototypes. Le groupe pense lancer une production de masse dans les six prochains mois.

Les détails complets du nouveau TEC à GaN et de sa technologie seront présentés à la Conférence internationale du symposium sur les semi-conducteurs de l'IEEE (IEEE Compound Semiconductor IC Symposium, CSISC), qui se tiendra du 12 au 15 novembre (heure américaine) à San Antonio, Texas, États-Unis.

Historique et objectifs de développement

On constate des flux de communications toujours plus importants et une pression de la demande toujours croissante pour une puissance de sortie plus élevée dans les amplificateurs utilisés pour les communications par micro-ondes des radars et des satellites. Jusqu'à présent, Toshiba a répondu à cette demande par un TEC à GaAs avec une puissance de sortie de 90 W à 6 GHz de fréquence et de 30 W à 14 GHz.

Cependant, trouver un équilibre entre la dissipation thermique et les caractéristiques de performance dans les hautes fréquences représente un problème très important avec le GaAs, et cela atteint un point où le matériel approche rapidement les limites supérieures.

Le GaN (nitrure de gallium) représente une importante promesse dans le cadre de son application dans les amplificateurs de forte puissance qui prennent en charge des fréquences supérieures à celles de la bande de fréquence micro-ondes puisqu'il offre une saturation plus forte due à la vitesse de l'électron, une tension de rupture diélectrique plus élevée et une plage de température de fonctionnement plus élevée que le GaAs.

Au départ, Toshiba a dirigé ses efforts vers le développement d'un TEC à GaN pour la plage de fréquence de 4 GHz à 8 GHz (bande C) et a annoncé, l'année dernière un TEC à GaN avec une puissance de sortie de 174 W dans la bande de 6 GHz. Le groupe conforte sa réussite dans ce secteur grâce à une optimisation structurelle qui a permis de mettre au point un dispositif prenant en charge les fréquences supérieures à la bande X qui réalise la puissance de sortie la plus forte jamais obtenue par un TEC à GaN fonctionnant à 9,5 GHz. Ce progrès va permettre l'intégration de dispositifs pour amplificateurs à transistors et permettre d'en réduire la taille, alors même qu'ils génèrent une puissance de sortie plus élevée.

Toshiba est certain que cette avancée capitale va ouvrir la voie à des niveaux de fréquence encore plus élevés dans la plage 12 GHz à 18 GHz (bande Ku). Le groupe va poursuivre ses activités de développement à cet effet.

Caractéristiques clé

1. Structure de la couche épitaxiale

Le TEC adopte des transistors avec une structure à forte mobilité d'électrons (HEMT). En optimisant les conditions de la composition et l'épaisseur des couches d'AlGaN et de GaN, Toshiba a réalisé une performance exceptionnelle.

2. Structure des puces

En travaillant avec la structure de la couche épitaxiale, Toshiba a traité et optimisé la structure des TEC, y compris la longueur de la grille et la distance entre les électrodes source et drain. Ce qui assure, non seulement la dissipation thermique mais également une performance élevée des fréquences en bande X (9,5 GHz).

3. Traitement et conditionnement

La technologie de traitement thermique de Toshiba permet une faible résistance au contact au niveau des électrodes source et drain, tout en permettant l'amplification des caractéristiques du GaN. Afin de générer une performance élevée en bande X, le TEC nécessite une électrode de grille de moins de 0,5 micromètre. Compte tenu de l'application d'une forte tension, la suppression de toute fuite en cours à l'électrode de grille est essentielle pour réaliser une performance de haut niveau. Un processus unique de structure d'électrode de grille et de revêtement contribue à supprimer toute fuite à la grille de 1/30e par rapport à la technologie conventionnelle d'aujourd'hui.

4. Uniformité de la puce et fusion de sortie

L'approche conventionnelle permettant de développer la puissance de sortie des dispositifs à GaN a été de fabriquer une grande puce disposant d'une capacité de forte puissance dans un conditionnement de grande taille. Ces dispositifs devenaient très chauds ce qui risquait de provoquer la dégradation des composants et également d'endommager les amplificateurs dans lesquels les dispositifs étaient intégrés. Le GaN est un matériau difficile à travailler, avec lequel il est difficile d'obtenir une uniformité des caractéristiques des puces et il a tendance à subir des pertes de puissance lorsqu'on associe la puissance de puces multiples dans un conditionnement.

La technologie unique de traitement de Toshiba réalise l'uniformité des puces par l'intermédiaire du circuit imprimé, tandis que la gestion avancée de l'énergie par le groupe réduit la dissipation de l'énergie à l'intérieur du conditionnement. Ces approches dispersent la chaleur de façon satisfaisante et réduisent la dégradation potentielle des éléments et prennent en charge la réalisation d'une puissance de sortie élevée de plus de 80 W sur la bande X.

5. Lithographie pas à pas

Tandis que la technologie d'exposition au faisceau d'électrons est communément utilisée dans le processus de la lithographie pour le TEC à GaN comme sur la bande C et à des fréquences plus élevées, Toshiba a adopté une exposition pas à pas qui convient mieux à la production de masse pour le TEC à bande X, qui implique une longueur de grille inférieure à 0,5 micron.

Tandis que la technologie d'exposition au faisceau d'électrons est communément utilisée dans le processus de la lithographie pour le TEC à GaN comme sur la bande C et à des fréquences plus élevées, Toshiba a adopté une exposition pas à pas qui convient mieux à la production de masse pour le TEC à bande X, qui implique une longueur de grille inférieure à 0,5 micron.

source = www.toshiba.co.jp