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固体電力には多くの形態がありますが、最も急速に成長している高周波、高電力半導体テクノロジーは窒化ガリウム (GaN) をベースにしていると思われます。 GaN パワー・トランジスタは、L バンドおよび S バンドの軍事レーダー・システムの線形および圧縮パワー・アンプ用のアクティブ・デバイスの構成要素として長い間使用されてきました。
設計ニーズに応じて、GaN パワー・トランジスタは、航空電子工学、商業、工業、医療、および軍事用の回路やシステムにおけるさまざまな用途に、多くのサプライヤーから提供されています。 これらの製品はすべて、ワイドバンドギャップ GaN 半導体材料の能力を活用して、小型パッケージで高電力密度および高出力電力レベルの RF/ マイクロ波トランジスタを形成します。
一部の GaN パワートランジスタはベア・ダイとして提供されますが、多くは特定の周波数範囲に対して出力を最適化するために内部インピーダンス整合された堅牢なパッケージで提供されます。 GaN トランジスタの周波数範囲は、低い出力電力レベルではミリ波 (mmWave) 周波数に近づきつつあり、最高出力電力レベルでは L バンドおよび S バンド周波数でのパルス信号がまだ一般的です。
Materials Matter
ディスクリート GaN パワー トランジスターは、GaN 半導体材料の基盤を支える材料においても、形や機能がさまざまです。 ワイドバンドギャップ GaN 材料は、FET (Field Effect Transistor)、HBT (heterojunction-bipolar-transistor) および HEMT (high-electron-mobility-transistor) 構造など、異なるトランジスタ構造に対応しています。
しかし、GaN材料は熱抵抗が高く、電力放散能力に限界があるため、GaN半導体は、シリコン（Si）、炭化ケイ素（SiC）、さらには合成ダイヤモンドなどの熱抵抗の低い基板上に作製されています。 3つの基板の中で最も熱抵抗の低いダイヤモンド材料の使用は、DARPAからの研究資金と、10年以上にわたって複数のパートナーとともに実施してきたNJTT（Near Junctional Thermal Transport）プログラムによって動機づけられています。
GaN半導体の接合領域から熱を取り除くのに役立つ極めて低い熱抵抗を持つ合成ダイヤモンドは、GaNデバイスの民生/商業用途や軍事/航空宇宙用途においてさえ、まだ実用的な基板オプションとは言えません。 3つの基板材料の熱特性は大きく異なり、Siは最も低コストで最も熱放散が少なく、合成ダイヤモンドは最も高コストで最も熱放散が良いのです。 SiCは、コストと熱性能のトレードオフの関係にあり、特にミッションクリティカルなアプリケーションに向けた高出力ディスクリートGaNトランジスタの基板としてよく使用されます。
前述のように、ディスクリートGaNパワー・トランジスタは、半導体ダイとして、またさまざまなパッケージ・スタイルで提供されており、RF/マイクロ波回路への追加を容易にするために入出力インピーダンスが50Ωに整合されているものもあります。 GaNデバイスは、高電圧電源や電力変換器、バッテリー充電アプリケーションの能動素子として、より低い周波数でより一般的になってきています。
ダイ形状のディスクリート・デバイスは、ほぼ直流から18 GHzまでの広帯域に対応し、ダイおよびパッケージ部品は、周波数が高くなると出力電力レベルは低くなりますが、直流付近からミリ波周波数まで利用可能です。 GaN は、多くのパルスレーダー用途、特に C-、L-、S- バンド周波数の電力増幅器（PA）で広く受け入れられている電力増幅技術です。 この技術は、周波数に関係なくパルス振幅の下降が少なく、高い利得を得ることができる。 また、チップやパッケージの形態にかかわらず、極めて高いドレイン効率や電力付加効率（PAE）を実現することができます。
1個の GaN トランジスタでどれだけの RF/マイクロ波出力が期待できるでしょうか。 レーダーや通信用アンプの実用的な PA は、通常、ドライバーと出力段に複数の能動デバイスを組み合わせて、設計周波数と帯域幅に必要なピーク/パルスまたは連続波 (CW) 出力電力を達成します。 レーダー用アンプでは、トランジスタ1個では十分とはいえない。 しかし、より高出力のディスクリートトランジスタが利用できるようになると、目標とする出力電力に対してより少ない能動素子で済むようになる。
熱の問題
熱は通常、単一のトランジスタが提供する電力の制限要因になります。 GaN トランジスタの半導体接合部は、特に高電力レベルにおいて熱を発生するため、トランジスタの動作寿命を延ばすには熱を管理する必要があります。 トランジスタのドレイン効率とは、トランジスタの入力（ドレイン）に供給される直流電力のうち、出力でRF信号電力として利用できる量または割合のことである。 また、トランジスタの利得と増幅回路が印加された電力をどの程度利用できるかを考慮したPAEを、アンプ設計者やその他のトランジスタ使用者が参照することもある。
効率 100%が可能であれば、トランジスタは熱を放散することなく、入力信号の電力レベルをデバイスの利得の関数として増加させることができる。 しかし、ドレイン効率は決して100%ではなく、一部の入力電力とバイアス・エネルギーは熱として失われる。 最高の効率は、デバイスの安全かつ長時間の動作のために放散しなければならない熱量を最小にする結果となります。
一部の商用 GaN トランジスタは 65% 以上の優れたドレイン効率を備えていますが、印加エネルギーは熱として失われるため、トランジスタの寿命と性能を最適化するには熱を放散させる必要があります。 熱抵抗の低いパッケージは、トランジスタの接合部から熱を逃がすのに有効である。
単一の GaN トランジスタから得られる出力電力は、電源電圧 (通常 +28, +40, または +50 V dc) とパッケージのサイズと形状、およびパッケージなしのダイについては、アプリケーション回路での熱管理状態によって決まります。 GaNトランジスタのサプライヤの中には、同じプロセス（DC28V電源用など）の半導体を、頑丈なメタルセラミック製フランジマウント・パッケージと小型の「ボルトダウン」メタルセラミック・パッケージの2種類のパッケージで提供するところがあります。 基本的なトレードオフは、サイズに対するパワーであり、大きなパッケージのトランジスタは、トランジスタの熱接合部をより多くの放熱材料で囲むことによって、より大きな出力パワーを提供することができる。
Seeking a Source
パルス レーダー システムに電力を供給できる高出力ディスクリート RF GaN トランジスタのサプライヤーには、BeRex、Cree、Integra Technologies、Microsemi、NXP、Qorvo が含まれます。 これらのディスクリートデバイスのほとんどは、3つの電源電圧（デバイスのドレイン-ソース間電圧）のいずれかで使用するように設計されています。 +28VDC、40VDC、50VDCの3つの電源電圧で使用するように設計されています。
BeRex は、たとえば BCGxxx シリーズの 3 つの GaN-on-SiC パワー HEMT を、+28V DC 電源で使用するためのダイ形態で提供しています。 これらは、DC～26GHzの全周波数をカバーする広帯域デバイスで、Cバンド、Xバンド、Kuバンド、およびKバンドの周波数帯のアプリケーション向けに、アンプ回路内でインピーダンス整合することが可能です。 BCG002、BCG004、BCG008の3つのトランジスタは、試験周波数12 GHzでそれぞれ2、4、8 Wの飽和出力電力を供給し、8 dB以上の利得と72%のPAEを実現しています。
ほとんどの GaN ディスクリート・トランジスタ・メーカーは、特定の周波数範囲にわたって高利得になるようにインピーダンス整合されたパワー・パッケージ内のデバイスを提供しています。 利便性のために、同じ GaN 半導体を複数のパッケージ形式で提供するところもあります。 例えば、2.856GHzで500Wのピーク出力を実現するインテグラテクノロジーズ社の高出力GaN-on-SiC HEMTは、ボルトダウン・パッケージ（モデルIGN2856S500）とヘビーデューティ・フランジマウント・パッケージ（モデルIGN2856S500S）で提供されています。
どちらのパッケージのトランジスタ・バージョンもセラミック・エポキシの蓋で密閉され、+50 V DCの供給電圧で動作します。 金属フランジはボルトダウン・パッケージに比べてサイズを大きくしますが、両パッケージのセラミック材料の量は同じで、同様の熱放散特性を備えています。
各パッケージ・デバイスは、2.856GHzの産業、科学、医療（ISM）周波数で最適なパフォーマンスを発揮するために、入力および出力ポートにインピーダンス整合回路を備えており、3%のデューティ比で12μs幅のパルスで60%の標準ドレイン効率を達成します。 Microsemiの3942GN-120V GaN-on-SiC HEMTは、Cバンド・パルス・レーダー・アンプ用に数年前から提供されており、+50V DC電源で3.9～4.2GHzのピーク出力電力120Wを実現します。 この信頼性の高い金メッキトランジスタは、ハーメチックシールのフランジマウントパッケージに収められています。 10%のデューティサイクルで200μsのパルスを印加した場合、62%のドレイン効率で動作します。 利得は3.9GHzと4.2GHzで15.2dBと高く、パルスの下降も少なく、-0.15dB以下です。
より少ない電力で広帯域を必要とする場合、同じ会社のモデルDC35GN-15-Q4は、5 MHz～3.5 GHzのパルスおよびCWアプリケーションで使用するためにABクラスの線形構成で設計されたGaNオンSiC HEMTである。 この周波数範囲では、CW信号または10%のデューティサイクルで1000μsのパルス幅で、19Wの出力電力を提供します。 このディスクリートトランジスタは、コンパクトな空洞QFNパッケージで提供され、66%のドレイン効率でレーダーと通信システムアプリケーションをサポートします。 電源電圧はDC+50Vに設計されています。
もう1つの広帯域高出力GaN-on-SiCディスクリート・トランジスタ、NXPセミコンダクターズのMMRF5017HSは、30～2200 MHzの使用向けに入力インピーダンス整合付きのボルトダウン金属セラミック・パッケージで供給されます。 この汎用性の高い+50V DCパワートランジスタは、CWおよびパルス信号を高い効率と利得で処理することができます。 520MHzで125WのCW出力と18dBの標準利得、59.1%のドレイン効率、940MHzで80WのCW出力と18.4dBの利得、44%のドレイン効率を実現しています。 2200 MHz、100 μsパルス、20%デューティ・サイクルでテストした場合、200 Wのピーク出力が得られます。
より広い帯域幅でわずかに高い出力を提供する、より一般的なフランジ・マウント・パッケージのMMRF5014Hは、1～2700 MHzのCWおよびパルス動作に対応するディスクリートGaNトランジスターです。 ピーク出力とCW出力は2500MHzで125W、CW利得は16dB、パルス利得は18dBです。 ドレイン効率は、CW信号、パルス信号（100μsパルス、20%デューティサイクル）ともに64%以上です。 広帯域動作のテストでは、標準的なドレイン効率は40%に低下しますが、200～2500MHzで12dBの利得で100WのCW出力を可能にしています。
Qorvo が開発した QPD1029L ディスクリート GaN-on-SiC パワー・トランジスタは、最高電圧の GaN RF パワー・トランジスタで、電源電圧 +65 V dc 用に設計されています。 その入力は、1.2～1.4GHzの高信号電力レベル向けに、4リードフランジパッケージ内の一対のGaNダイに適合します。 Lバンドのパルスレーダー用途に最適ですが、CW信号の昇圧にも有効で、300μs幅のパルスを10%のデューティサイクルで出力すると1500Wを達成します。 この出力電力は、+46.2dBmの入力信号に対して21.3dBの線形利得を得た結果です。 1.3GHzでの標準的なドレイン効率は62.5%です。
これらのディスクリートGaNトランジスタの多くは、高い信頼性のために金メッキを採用し、最大ドレイン-ソース（電源）電圧は150 V dcに定格されています。 この例からわかるように、最も一般的な 3 つの電源電圧 (+28, +40, +50 V dc) のいずれでも、1 つのデバイスで大きなピーク出力が可能であり、高い電源電圧での動作は高い出力パワーを保証するものではありません。
実際、加速寿命試験（Cree 社）1 を用いた信頼性調査では、GaN-on-SiC HEMT は異なる電源電圧に等しく対応できることが判明しています。 最高電源電圧 (+50 V dc) でさえ、一部のデバイスはバーンイン動作に起因すると思われる飽和出力パワーのわずかな低下を示したものの、複数の異なる GaN-on-SiC プロセスで製造したトランジスタの加速寿命テストでは故障は見つかりませんでした。 ダイフォームでは、ディスクリート GaN-on-SiC トランジスタ CGHV1J025D は、10 MHz～18 GHz で 25 W の十分な（飽和）出力を提供し、さまざまなポイントツーポイント通信や衛星通信、海洋レーダーのアプリケーションに対応しています。 テストフィクスチャを用い、DC40Vでテストした場合、このトランジスタは10GHzで17dBの小信号利得と60%の標準的なPAEを実現します。 より高い電力と同じ利得、より低い帯域幅を必要とする場合、当社のCGHV60040D GaNパワートランジスタのダイは、DCから6 GHz、DC+40 V電源で40 Wの出力電力と65 %のPAEを実現します。
Pick a Package
レイアウトの柔軟性に対応するため、Cree は、ディスクリート GaN-on-SiC トランジスタの多くを、フランジ付きおよびフランジなしのピル パッケージに収めています。 たとえば、+50V DC モデル CGHV40100 は、両方のパッケージ・スタイルがあり、それぞれのパッケージ・デバイスについて DC から 3GHz まで同じ性能レベルです。
販売代理店のMouser Electronicsから入手できるディスクリート・パワートランジスタは、特定のアプリケーション向けに入力および出力インピーダンスのマッチングが必要です。 1GHzで100W、1.5GHzで141W、2.0GHzで116Wの飽和CW出力が可能で、1GHzで16.9dB、2GHzで17.5dBの小信号利得が得られます。 また、ドレイン効率は0.5GHzで68%、1GHzで56%、2GHzで54%と、GaNが得意とする高い効率性を実現しています。
パッケージ・デバイスの中でも、クリー社の CGHV14800 GaN HEMT（図 1）は、960～1400 MHz のパルス L バンド航空管制および気象レーダーを対象とした、最高出力のディスクリート・デバイスの 1 つです。 堅牢なセラミック/メタル・フランジ・パッケージで提供され、1.2GHzで15.5dBの標準利得と74%の標準ドレイン効率で1000Wの出力を実現します。
1. 高出力GaNディスクリート・トランジスタには、960～1400 MHzのLバンド・アプリケーション向けのこのLバンドGaN-on-SiCトランジスタのような、熱を放散するための堅牢なメタル/セラミック・パッケージが必要とされます。 (提供: Wolfspeed/Cree)
その上限周波数において、+50 V DC トランジスタは 1.4 GHz で 910 W 出力電力と 15.1 dB 利得、67% 標準ドレイン効率を提供しました。 また、最大デューティサイクル5%の100μsパルスで+41dBmのパルス入力電力を処理し、帯域幅全体で-0.3dBのパルス振幅降下を被るのみです。
低電圧電源用として、Cree社のモデルCGH40180PPは、DCから3 GHzまで使用できるように設計された4リード・フランジ・パッケージ（図2）の比類なきGaN-on-SiC HEMTで、DCドレイン電圧が+28 Vである。 セルラーインフラやテストシステムのアプリケーションに効果的な信号電力ブースターで、1.1～1.3GHzの飽和CW出力電力220W（標準）を、65%のドレイン効率と13dBの最小電力利得で提供します。 小信号利得は、1GHzで20dB、2GHzで15dBとなります。
2. モデルCGH40180PPは、4リード・フランジ・パッケージで、DCから3 GHzまで、+28 V DC電源で使用できる、他に類を見ないGaN-on-SiC HEMTです。 (Wolfspeed/Cree 提供)
もちろん、これらは GaN および GaN-on-SiC 基板の高出力 RF/マイクロ波機能のほんの一例に過ぎません。 Si 上の GaN は、Texas Instruments や GaN Systems などの企業による、増え続ける電力変換および充電製品の基盤となっています。 テキサス・インスツルメンツ社のドライバー内蔵型600V DC GaN FETは、多くの電源や電力変換製品の主要部品となっています。 GaN Systemsは、高電力密度の電力変換器やモータ駆動装置向けに、+650Vの直流GaN HEMTダイを提供しています。
GaNはRFおよびマイクロ波周波数で高い信号電力を提供し、5G無線セルラー通信や自動車レーダーシステムなどのアプリケーションで信号電力のニーズが高まるにつれ、mmWave周波数帯に着実に移行していくと思われます。