11～12 GHz單電源GaN微波功率放大模塊研制

嵇妮婭，湯茗凱，唐世軍

（南京電子器件研究所，南京 210016）

11～12 GHz單電源GaN微波功率放大模塊研制

嵇妮婭，湯茗凱，唐世軍

（南京電子器件研究所，南京 210016）

報告了采用凹槽柵場板結(jié)構(gòu)的GaN微波功率HEMT管芯，優(yōu)化了場板結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，制作了0.8 mm和2.4 mm柵寬的管芯。采用該管芯制作了兩級放大的功率模塊，該模塊匹配電路制作在380 μm厚的Al2O3陶瓷基片上，匹配電容制作在180 μm厚的高介電常數(shù)的陶瓷基片上。電感采用25 μm直徑的金絲擬合，電路結(jié)構(gòu)采用單電源結(jié)構(gòu)。該模塊在11～12 GHz、28 V工作電壓下，飽和輸出功率達(dá)到了8 W，功率增益為12 dB，功率附加效率(PAE)為30%，實(shí)現(xiàn)了低電流、高效、高可靠性、可實(shí)用的功率模塊。該模塊是迄今為止采用單電源結(jié)構(gòu)頻率最高的GaN功率模塊。

氮化鎵；高電子遷移率晶體管；功率放大模塊

1 引言

GaN HEMT功率模塊具有輸出功率大、輸出功率附加效率高、耐高溫等特性，在微波、毫米波領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力，在國內(nèi)外得到越來越廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外多篇文章報道了X波段GaN HEMT功率管和功率芯片的進(jìn)展，功率密度達(dá)到了GaAs產(chǎn)品的5～10倍，但采用單電源結(jié)構(gòu)的GaNHEMT功率模塊鮮有報道。

本文利用SiC襯底上的GaN異質(zhì)結(jié)材料，成功研制了工作于X波段的GaN HEMT器件，該器件通過結(jié)合凹槽柵和場調(diào)制板兩者的優(yōu)點(diǎn)，有效抑制了電流崩塌，提高了器件微波功率特性和可靠性，為批量化實(shí)用邁出了重要的一步。本文研制的2.4 mm柵寬器件在11～12 GHz、單電源28 V工作電壓下，輸出功率為8 W，附加效率達(dá)到30%，功率增益為12 dB，可進(jìn)行批量實(shí)用化生產(chǎn)。

2 GaN HEMT管芯的研制

圖1為本項研制的凹槽柵場板結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT示意圖。器件研制中采用的帶GaN帽層AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料為金屬有機(jī)化合物氣相淀積技術(shù)在半絕緣的SiC襯底外延得到，該材料包括AlN成核層、GaN緩沖層、AlN隔離層、AlGaN勢壘層和GaN帽層，各層均未摻雜，AlGaN勢壘層中Al摩爾含量為0.25?；魻枩y試得到該異質(zhì)結(jié)材料2DEG密度為1.0×1013cm-2，遷移率為 1900 cm2/Vs，非接觸式方塊電阻測試得到其薄層電阻為300 Ω/□。

圖1 凹槽柵場板結(jié)構(gòu)GaN HEMT示意圖

GaN HEMT器件工藝中首先是源漏歐姆接觸制作，采用電子束蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au多層金屬，在870℃、N2氣氛進(jìn)行30 s快速熱退火，TLM圖形測試的接觸電阻為0.4 Ω/mm，與國外同類器件歐姆接觸水平相當(dāng)。器件隔離采用硼離子注入隔離實(shí)現(xiàn)，隔離方塊電阻大于1011Ω/□。近年來在器件結(jié)構(gòu)上采用場板使得GaN HEMT微波功率特性取得了突破[4]，場板的引入減小了器件柵電極靠漏極一側(cè)電場的峰值強(qiáng)度，有助于器件擊穿電壓的同時減小柵漏間強(qiáng)電場引起的陷阱效應(yīng)，從而提高了器件在射頻工作時的電流和電壓擺幅。但如前所述，場板引入不利的一面是降低器件增益，而凹槽柵可以有效地補(bǔ)償場板引起的增益下降。為實(shí)現(xiàn)圖1所示的凹槽柵場板結(jié)構(gòu)GaN HEMT，器件源漏歐姆接觸完成后在器件表面上用PECVD淀積一層SiN介質(zhì)層，并利用濕法或者干法刻蝕工藝分別刻蝕SiN介質(zhì)層、GaN帽層和AlGaN勢壘層來形成凹槽，肖特基勢壘接觸采用Ni/Au，在漏電極一側(cè)的柵電極延伸到介質(zhì)層上方形成場板，最后用PECVD再次淀積一層SiN，以實(shí)現(xiàn)對器件的保護(hù)，電鍍Au層對器件各個電極進(jìn)行加厚并完成空氣橋的制作。器件柵電極制作中采用了電子束刻寫以減小器件柵長和提高光刻中的對準(zhǔn)精度，器件柵長為0.25 μm。

3 功率模塊的設(shè)計與研制

3.1 功率模塊電路拓?fù)?/h3>

設(shè)計時針對不同頻率和功率的具體要求進(jìn)行拓?fù)溥x擇，該項目采用兩級放大結(jié)構(gòu)，根據(jù)GaN HEMT管芯4W/mm的功率密度，我們選取前級柵寬為0.8mm、后級為2.4 mm的GaN HEMT管芯，匹配電路采用Al2O3匹配電路，能夠減小電路面積，提高產(chǎn)品的一致性和成品率，圖2為電路原理圖。單電源結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：如圖所示使用了源電阻R3或R7,該電阻為器件提供保護(hù)，瞬時的電流電壓改變被串聯(lián)電阻RS吸收，通過RS柵對于源總是置于負(fù)電位，因此零柵時的源漏電流過沖現(xiàn)象不復(fù)存在。R3或R7的負(fù)反饋?zhàn)饔檬笷ET的工作電流趨于穩(wěn)定，通常情況下工作電流隨柵偏壓、溫度、漏電流的波動而波動，R3或R7的存在使工作電流波動減弱。同時源端電阻電容的并聯(lián)電路在頻率升高時反饋減弱，補(bǔ)償了增益的下降趨勢，在頻率降低時反饋增強(qiáng)，減弱了增益的上升趨勢，因此使用這種共源電路有效提高了寬帶的穩(wěn)定性。單電源模塊的使用也非常簡潔，只需一個正電壓，省去整機(jī)的負(fù)電和正負(fù)電保護(hù)電路，使整機(jī)電路更穩(wěn)定可靠。在電路拓?fù)溥x擇時還要考慮到奇模振蕩、偶模振蕩和參量振蕩等多種寄生振蕩問題，通過去藕電路消除低頻振蕩，盡量避免形成振蕩回路。

圖2 電路原理圖

3.2 功率模塊電路設(shè)計

根據(jù)電路拓?fù)浣⒎抡骐娐?，運(yùn)用微波CAD設(shè)計軟件ADS進(jìn)行電路的仿真和優(yōu)化。對GaN HEMT管芯進(jìn)行建立小信號模型和大信號負(fù)載牽引（Load Pull）的測試是精確仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)。首先我們對研制的柵寬為0.4 mm GaN HEMT進(jìn)行了在片微波小信號S參數(shù)測試，由小信號S參數(shù)推導(dǎo)出0.8 mm、2.4 mm GaN HEMT的小信號S參數(shù)。通過對柵寬為0.8 mm和2.4 mm GaN HEMT直接進(jìn)行負(fù)載牽引測量，得到其大信號負(fù)載阻抗。把以上的S參數(shù)和大信號等效阻抗帶入電路對功率模塊的增益、輸入輸出駐波、輸出功率進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終確定匹配電路各元件的優(yōu)選值。圖3給出了0.4 mm PCM管芯的負(fù)載牽引結(jié)果，從圖中可以看出，在11.5 GHz附近輸出功率達(dá)到了32 dBm，功率增益8 dB，附加效率50%。

圖3 0.4 mm PCM管芯負(fù)載牽引結(jié)果

圖4 0.4 mm管芯版圖

4 功率模塊微波電性能

GaN HEMT功率模塊采用金屬陶瓷封裝，外形尺寸為13.2 mm×21 mm×5.5 mm，圖5為開蓋的實(shí)物照片，圖6為實(shí)測微波電性能。

圖5 功率模塊的實(shí)物照片

可以看出在11～12 GHz內(nèi)輸出功率都大于8 W，功率增益大于12 dB。圖6(b)為功率模塊輸出功率附加效率的頻響曲線，頻帶內(nèi)輸出功率附加效率典型值為30%。功率模塊輸出功率、功率增益、附加效率完全達(dá)到了設(shè)計目的和要求。

5 結(jié)束語

研制的GaN HEMT功率模塊，采用了SiC襯底上的GaN HEMT管芯和GaAs匹配電路，在11～12 GHz內(nèi)達(dá)到輸出功率都大于8 W、功率增益大于12 dB、頻帶內(nèi)輸出功率附加效率大于30%的較好水平，可以廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和通信領(lǐng)域，此自主研發(fā)填補(bǔ)了國內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)領(lǐng)先。

圖6 實(shí)測微波電性能

本項目是在南京電子器件研究所微波功率器件部全體同事的共同努力下完成的。研制過程中獲得鐘世昌研究員的有益指導(dǎo)，在此一并感謝。

[1]Vetury R，Zhang N Q，Keller S，et al.The impact of surface states on the DC and RF characteristics of AlGaN/GaN HFET[J].IEEETransactiononElectronDevices，2001，48(3)：560.

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[5]陶洪琪，張斌.X波段60 W高效GaN HEMT功率MMIC[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2016，36(4):270-274.

嵇妮婭（1981—），女，江蘇泰州人，工學(xué)學(xué)士，工程師，2003年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，現(xiàn)為中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所工程師，主要研究方向為微波功率放大器的生產(chǎn)與管理。

The Development of an 11～12 GHz GaN Microwave Power Amplifier Module of Single Power Supply

JI Niya,TANG Mingkai,TANG Shijun
（Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China）

An 11～12 GHz power amplifier module of single power supply has been developed.This module is based on 0.8 mm and 2.4 mm GaN HEMTs with optimized field-plate structure and process.All the internal matching circuits are fabricated on Al2O3ceramic substrate of 380 μm thickness,and the matching capacitors are fabricated on high permittivity ceramic of 180 μm thickness.The matching inductors are realized of gold bonding wires of 25 μm diameter.During the frequency band of 11～12 GHz and under 8 V supply voltage,the module can realize 8 W output power,12 dB power gain and 30%power added efficiency(PAE)simultaneously.The measurement results indicated that a low operation current,high efficiency,high reliability and applicable power amplifier module has been realized.As a power module with single power supply,it operatesatthe highestfrequencybandstate ofart.

GaN;HEMT;power amplifiermodule

TN722.7+5

A

1681-1070（2017）11-0036-03

2017-07-31