Geri Dön

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

GaN HEMT yapılarının üretimi, modellenmesi ve ölçümü, ve yüksek güçlü MMIC yükselteçlerin tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 246754
  2. Yazar: MUHAMMED ABDULCELİL ACAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: GaN HEMT, MMIC PA tasarımı, MOCVD büyütme, mikrofabrikasyon, büyük-işaret modelleme, K-bant dengeli MMIC PA tasarımı, GaAs pHEMT, GaN HEMT, MMIC PA design, MOCVD growth, microfabrication, large-signal nonlinear modeling, K-band balanced MMIC PA design, GaAs pHEMT
  7. Yıl: 2009
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 177

Özet

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.

Özet (Çeviri)

High power and high frequency requirements in advanced telecommunication systems become more stringent as faster and higher capacity wireless data transfer over long distances is getting a common need for both military and commercial applications. Present mature semiconductor technologies have already reached their performance limits in responding next generation needs of high power modules. Under these circumstances, further improvements seem to be possible via introducing more capable technology. GaN HEMT device technology promises high power performance in microwave and millimeter-wave regimes at least an order of magnitude better than any other current counterparts. Research and development processes of this technology require deep understanding of theoretical fundamentals of HEMT device formation and should be supported by efficient epitaxial wafer growth and microfabrication facilities, and accurate large-signal nonlinear modeling capability. After all, GaN HEMT technology can be transformed to real applications of monolithic microwave integrated circuit (MMIC) power amplifiers (PAs).This work can be separated into three main parts. In the first part, we introduced bottom up approach to the GaN HEMT technology starting from GaN material properties, semiconductor physics and design of GaN HEMT devices, and MOCVD growth and characterization, completing with fabrication processes and large-signal nonlinear modeling issues of the active devices. 2DEG sheet carrier concentrations in the order of 1xE13 cm-2 and electron mobility values between 1500-2000 cm2/V?s are obtained from our GaN HEMT epiwafers. Furthermore, 900mA/mm of maximum drain current density, 32GHz of fT, and 40 GHz of fmax are achieved from a fabricated 6x150um GaN HEMT device. Large-signal nonlinear modeling is applied successfully for a 4x200um device with 1um gate length. In the second part, this model is used as a basis for two MMIC PA designs have center frequency of 2GHz and coplanar wave guide passive elements. ~2W and ~4W output power levels and ~42% and ~35% PAE values are generated from these MMIC PAs at 1dB compression point, respectively. In the final part, we applied our MMIC PA design experiences to a GaAs pHEMT process of UMS foundry. We introduced two-stage balanced PA topology in order to achieve wideband and high power response at the output. Aimed frequency range is 18-22GHz. According to the simulation results, output power of ~2W is obtained with 31%-35% PAE in this frequency band. S-parameter measurement data are quite in agreement with simulation results, even better. CW power measurement results are subjected to 1-2dB degradation in output power levels compared to HB simulation results since the design kit we used contains pulsed measurement based transistor models. The measurements results proved the efficiency and correctness of our design.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    349599

    Design considerations, modeling and characterization of GaN HEMTs and design of high frequency and high power MMIC amplifiers

    GaN HEMT yapılarının tasarımı, modellenmesi ve ölçümleri, ve yüksek hızlı ve yüksek güçlü MMIC yükselteçlerin tasarımı

    ÖMER CENGİZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI

  2. Tez No

    367433

    GaN schottky güneş gözelerinin iki boyutlu modellenmesi

    Two-dimensional modeling of GaN schottky solar cells

    BENGÜL METİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Fizik ve Fizik MühendisliğiMuğla Sıtkı Koçman Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NEŞE KAVASOĞLU

  3. Tez No

    889799

    Terahertz and mid-infrared photodetectors based on intersubband transitions in novel materials systems

    Yeni malzeme sistemlerinde bantlar arası geçişe dayalı terahertz ve orta kızılötesi fotodedektörler

    HABİBE DURMAZ SAĞIR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoston University

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. ROBERTO PAİELLA

  4. Tez No

    382348

    Nano-scale chemically modified thin film characterization for chemical mechanical planarization applications

    Nano-boyutta kimyasal modifiye edilmiş ince filmlerin kimyasal-mekanik düzleştirme uygulamaları için karakterizasyonu

    AYŞE KARAGÖZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Mühendislik BilimleriÖzyeğin Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜL BAHAR BAŞIM DOĞAN

  5. Tez No

    526550

    Design, fabrication and characterization of biodegradable scaffolds for tissue engineering and regenerative medicine applications

    Doku mühendisliği ve rejeneratif tıp uygulamaları için biyoçözünür iskele yapılarının tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu

    MUHAMMAD ANWAAR NAZEER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    BiyomühendislikKoç Üniversitesi

    Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSKENDER YILGÖR

Geri Dön