InAlN/GaN HEMTs based L-band high-power packaged amplifiers

Abstract

This paper presents power results of L-band packaged hybrid amplifiers using InAlN/GaN/SiC HEMT power dies. The high-power densities achieved both in pulsed and continuous wave (cw) modes confirm the interest of such technology for high-frequency, high-power, and high-temperature operation. We present here record RF power measurements for different versions of amplifiers. Up to 260 W, i.e. 3.6 W/mm, in pulsed (10 µs/10%) conditions, and 105 W, i.e. 2.9 W/mm, in cw conditions were achieved. Such results are made possible thanks to the impressive performances of InAlN/GaN transistors, even when operating at high temperatures. Unit cell transistors deliver output powers of 4.3 W/mm at Vds = 40 V in the cw mode of operation at the frequency of 2 GHz. The transistor process is described here, as well as the amplifiers design and measurements, with a particular focus to the thermal management aspects.

Optimization based on electro-thermo-mechanical modeling of the high electron mobility transistor (HEMT)

“…This equation allows us to describe the thermal behaviour of the transistor, as a function of the operating conditions and in particular the dissipated power [28]. The thermal properties required to develop the electrothermal model are listed in Table 1, the thermal conductivity of some materials is a function of temperature [16,29,30].…”

Optimisation du comportement thermique du transistor à haute mobilité d’électron (HEMT) par la méthode KA-CMA-ES

“…-Q puissance dissipée en joules; -K conductivité thermique (w/m/k); ρ densité Kg.m -3 ; -Cp capacité massique thermique (J.Kg -1 .k -1 ) ; -T température (K) Cette modélisation sera mise en place en utilisant la méthode des éléments finis, elle permet de résoudre l'équation de chaleur et d'observer l'influence des paramètres thermique et géométrique sur le comportement thermique du HEMT. Les propriétés des matériaux utilisés dans la modélisation : la conductivité thermique, le densité volumique, la capacité thermique massique avec leurs valeurs, sont mentionnées dans la tableau 1 [8], [19]. Les propriétés de ces matériaux ainsi que les caractéristiques du HEMT sont en fonction de la température du fonctionnement.…”

“…Pour mettre à jour la matrice de covariance C, il faut actualiser le chemin d'évolution pc, ça se fait suivant les équations suivantes : [8] Alors que la matrice de covariance devient comme suit : [9] Avec : p c (g) ∈ R…”

“…Par conséquent ça donne naissance à des dégradations comme l'enterrement de la grille, endommagement de la connexion entre la puce et le boitier, la dégradation de la mobilité des électrons et la réduction de courant [7]. Dans le cas des systèmes aéroportés, la majorité des défaillances sont causés par des amplificateurs à haute puissance au niveau de ses transistors à haute puissance, ces défaillances sont à cause de la température de fonctionnement des transistors qui influence négativement leur fiabilité et donc celle de système [8].…”

Improvement of Ohmic Contact for InAlGaN/AlN/GaN HEMTs with Recess Etching

“…When down‐scaling the gate length, in order to achieve high frequency performance, thin barriers are a requirement for GaN‐based HEMTs to maintain a high aspect ratio of gate length to barrier thickness . The lattice‐matched growth of InAlGaN on GaN suggests better mechanical stability and therefore more reliable device operation compared to conventional HEMTs based on highly strained AlGaN …”