为什么片上电压器在MMIC GaAs/GaN中很少使用？

ovicovic

1. 为什么毫米波CMOS PA中差分放大器使用非常普遍，但是在三五族工艺（GaAs, GaN）中不常用差分对呢？
2. 为什么毫米波CMOS PA中片上变压器很常见，各种结构玩出花来。但是在三五族工艺中经常使用T型电感结构，或结构普通的耦合线结构（特别长），而很少用到像CMOS那样做成环状结构的变压器，这是为什么呢？因为CMOS金属层数比GaAs/GaN多很多？因为大耦合系数在CMOS更好实现？还有其他的考虑和制约吗？

PS1：RF CMOS PA，片上变压器+差分PA参考论文：
[1] Wang, Fei, and Hua Wang. "A Broadband Linear Ultra-Compact mm-Wave Power Amplifier With Distributed-Balun Output Network: Analysis and Design." IEEE Journal of Solid-State Circuits 56.8 (2021): 2308-2323. （环状变压器+耦合线巴伦）
[2] Mannem, Naga Sasikanth, Tzu-Yuan Huang, and Hua Wang. "Broadband Active Load-Modulation Power Amplification Using Coupled-Line Baluns: A Multifrequency Role-Exchange Coupler Doherty Amplifier Architecture." IEEE Journal of Solid-State Circuits 56.10 (2021): 3109-3122. （环状变压器+耦合线巴伦+Doherty）

PS2：MMIC GaAs / GaN PA，片上变压器+差分PA参考论文：
[1] Zhang, Jincheng, et al. "A 20-30 GHz Compact PHEMT Power Amplifier Using Coupled-Line Based MCCR Matching Technique." 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS). IEEE, 2020. （叠层耦合变压器）
[2] Qunaj, Valdrin, and Patrick Reynaert. "Compact Transformer-Based Matching Structures for Ka-Band Power Amplifiers." 2019 IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). IEEE, 2019. （叠层耦合变压器）
[3] Nikandish, Gholamreza, Robert Bogdan Staszewski, and Anding Zhu. "Bandwidth enhancement of GaN MMIC Doherty power amplifiers using broadband transformer-based load modulation network." IEEE Access 7 (2019): 119844-119855. （非常长窄边耦合线，没有做成类似环装的结构，非差分结构）

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一点观点：1、化合物半导体可以做背孔，接地可以做的很好，不需要差分结构，另外化合物元件通常适用于大功率应用，如果多路合成用差分结构设计合成器会比较复杂。2、变压器结构在化合物中用的不多，考虑一方面金属层不够，尤其是厚金属，此外化合物衬底一般要做减薄，低于100um至30um，可能会影响电感的性能。

kswlymqq

1.CMOS用差分对是没办法，MOSFET的fmax太小（300GHz），必须要利用差分对和中和电容来抵消Cgd的影响，提高增益（即使这样一级也才不到10dB），三五族的HEMT性能更好，而且Cgd不大
2.CMOS先进工艺都是优先保证数字性能的，衬底损耗大，金属层多但是厚度普遍比较一般。三五族的衬底电导低（传输线损耗小），很多工艺根本就没有多个金属层可用。
此外，变压器不好设计，建模也复杂，不如传输线用着方便。

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谢谢分享

研究生笑笑

好问题，先mark住。

ovicovic

kswlymqq 发表于 2022-6-9 13:50
1.CMOS用差分对是没办法，MOSFET的fmax太小（300GHz），必须要利用差分对和中和电容来抵消Cgd的影响，提高 ...

感谢建议，收获颇多。我还有一些小疑问。
1. “CMOS MOSFET的fmax太小（300GHz）”，我在做的三安的0.15-um GaAs pHEMT工艺（P15ED11）提供的pHEMT（D-mode）的fmax更小一些（60-80 GHz）。

GaAs差分对，仿真显示最稳定的中和电容在50~190 fF，对于毫米波频段也是一个不小的量级了。

下面两个图为王华团队做的45-nm SOI CMOS PA，他的中和电容范围在20~80fF，很明显和上述相比，GaAs所需中和电容更大一些，也可释放更好的性能，从此道理出发，GaAs做差分对也可以获得相对更好的性能。

2. 我看了一下，三安的0.15-um GaAs pHEMT工艺，M1厚度1 um，单位电阻0.025 Ohm/sq，M2厚度2 um，单位电阻0.013 Ohm/sq。
还有TSMC 65nm 1P9M工艺，有9个金属层，M10厚度1.45 um，M9厚度3.4 um，M8厚度0.9 um，其余厚度都在0.3 um以下。这么看来，CMOS工艺中如果使用M7以下的金属层设计无源器件，损耗肯定GaAs更大。
但是从TSMC的M9、M10和GaAs的M2、M1对比来看，CMOS的这两个金属层比GaAs要好，并且离衬底更远。
请教一下在CMOS定制化无源器件（如变压器，耦合线等）一般如何设计呢？在HFSS上仿真？还是直接在Cadence中仿真？有自动化调试吗？

kswlymqq

ovicovic 发表于 2022-6-9 17:28
感谢建议，收获颇多。我还有一些小疑问。
1. “CMOS MOSFET的fmax太小（300GHz）”，我在做的三安的0.15- ...

1.我回去又想了一下，确实fmax不能解释三五族为什么不用中和。（当然，GaAs的pHEMT还是三五族之耻，一般三五族都能到几百GHz）。其他我能想到的解释有：
(1)因为三五族用的是传输线做功率分配（Wiljinson），不方便产生反相信号，自然也就做不了差分对了。
(2)先进制程的CMOS可用的电压摆幅不够（VDD<1V，击穿电压也低），需要使用功率合成，顺便就把中和做了。而三五族不用考虑闩锁，电源也高，可以采用共源共栅提升增益，通过在共源共栅器件上做些设计（尤其是栅极接地方法），就用不到中和电容提高稳定性了。
2.衬底损耗的关键其实是衬底的电导率和厚度，三五族一般衬底都不太导电的。
毫米波段的无源器件设计确实是个大问题，一般变压器都得全定制设计（手工画版图+HFSS/EMX仿真）。由于变压器没法自动测试，有些时候会先把变压器设计的差不多，然后反过来迭代调谐电容。

ovicovic

14102227 发表于 2022-6-9 11:31
一点观点：1、化合物半导体可以做背孔，接地可以做的很好，不需要差分结构，另外化合物元件通常适用于大功 ...

感谢感谢。
1. 三五族工艺差分合成，我现在确实暂时没见到，我现在考虑的就是设计一个4路差分合成的GaAs差分放大器，暂时考虑下来，比传统的功率合成面积要大一些，损耗在1dB左右。
2. “影响电感的性能”，我现在见到的三五族工艺中，基本上用耦合线比较多。可以展开讲一下，较薄的衬底对变压器有怎样的影响吗？如果下图的耦合线再多折叠一下（从直线到接近环状），这个影响应该怎样评估呢？

参考文献：
[1] Nikandish, Gholamreza, Robert Bogdan Staszewski, and Anding Zhu. "Bandwidth enhancement of GaN MMIC Doherty power amplifiers using broadband transformer-based load modulation network." IEEE Access 7 (2019): 119844-119855. （sub-6 GHz+耦合线变压器负载调制）
[2] Roberg, Michael, et al. "A compact 10w 2-20 ghz gan mmic power amplifier using a decade bandwidth output impedance transformer." 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS). IEEE, 2020. （分布式PA+变压器匹配）
[3] Roberg, Michael, et al. "A 20W 2-20 GHz GaN MMIC Power Amplifier Using a Decade Bandwidth Transformer-Based Power Combiner." 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS). IEEE, 2020. （分布式PA+变压器功率合成）
[4] Chen, Shuoqi, Vipan Kumar, and Yu Cao. "A High Efficiency 4–18 GHz GaN MMIC Power Amplifier based on 90nm T-gate GaN HEMT Technology." 2020 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS). IEEE, 2020. （分布式PA+高转换比变压器匹配）
[5] Martin, Daniel, et al. "A 6–12 GHz reconfigurable transformer-based outphasing combiner in 250-nm GaAs." 2019 IEEE BiCMOS and Compound semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS). IEEE, 2019. （GaAs+可重构功率合成）

ovicovic

kswlymqq 发表于 2022-6-9 18:50
1.我回去又想了一下，确实fmax不能解释三五族为什么不用中和。（当然，GaAs的pHEMT还是三五族之耻，一般 ...

感谢指点。
1. “GaAs的pHEMT还是三五族之耻”有道理。本来我们想同时加工GaAs和GaN工艺的，但是考虑到GaN价格高昂+晶体管模型不精确+良率低，我们暂时只能做GaAs。其实我个人想同时做GaAs和RF CMOS工艺，奈何实验室GaAs和CMOS都是零基础，现在就是摸着石头过河。
2. 在Outphasing PA中，在功率分配上可能会考虑使用巴伦。GaAs做巴伦的非常多，“因为功率分配不方便产生反相信号而做不了差分对”可能比较勉强。
3. CMOS变压器HFSS仿真中，这个工艺是如何设置仿真的？是只需要把用到的金属和最底层的衬底画出来吗？
4. 这里的“闩锁”指什么呢？

参考文献：
[1] Martin, Daniel N., et al. "An 18–38-GHz K-/Ka-band reconfigurable chireix outphasing GaAs MMIC power amplifier." IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 68.7 (2020): 3028-3038. （GaAs Outphasing PA）
[2] Chakraborty, Sudipta, et al. "A folded edge-coupled transformer balun in GaAs with excellent balance from 9 to 20 GHz." 2018 48th European Microwave Conference (EuMC). IEEE, 2018. （GaAs耦合线巴伦）

kswlymqq

ovicovic 发表于 2022-6-9 21:19
感谢指点。
1. “GaAs的pHEMT还是三五族之耻”有道理。本来我们想同时加工GaAs和GaN工艺的，但是考虑到GaN ...

针对这个问题，我又去看了一些文献。感觉三五族没有采用中和电容和变压器匹配，有以下几个原因：(1)三五族有其工艺特点：有些工艺只有一层金属，变压器不好实现；晶体管尺寸很大，用变压器也省不了很多面积。衬底损耗低，传输线性能可靠且设计成熟。器件性能好，能做晶体管堆叠，犯不上去扣那一点性能。（按做SiGe的学长的说法，HBT做中和只能提升增益，基本不能改善Psat；CMOS的级间失配也更严重，不得不用中和电容）
(2)变压器匹配在CMOS中也是15~18年才成熟起来，可能三五族的设计实践中还没来得及采纳。
(3)也要看到，作为一种成熟的设计方法，威尔金森功分器+传输线匹配是行之有效且较为紧凑的，换成变压器在性能和面积上不会有根本性的变革，设计上又麻烦的多。对于三五族这种不需要中和电容的电路，有些得不偿失（至少发论文的时候，一般不会把面积和增益当核心指标，一般比的还是Psat/P1dB）

衬底损耗：是指电磁波在衬底中传播的损耗。离地平面越近，传播距离越短，衬底导电性越差，损耗越小。（这也是为什么SOI工艺的损耗小，它底下的二氧化硅不导电）
闩锁我指的其实是更广义的意思，就是衬底中不该反偏的PN反偏了。因为CMOS的衬底是能导电的，如果想SOI那样，用2*VDD做共源共栅，晶体管之间的衬底就导通了。CMOS仿真我都是用EMX