C波段400 W GaN內(nèi)匹配功率管研制

徐永剛，顧黎明，湯茗凱，唐世軍，陳曉青，劉 柱，陳 韜

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

氮化鎵（GaN）是第三代寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表，具有擊穿電壓高、功率密度大、熱導(dǎo)率高、抗輻射等突出優(yōu)點(diǎn)。與第一代半導(dǎo)體Si和第二代半導(dǎo)體GaAs相比，GaN材料的電子飽和漂移速度和峰值漂移速度更大，是制備高壓、大功率、高溫、抗輻射的新一代微波功率器件和電路的理想材料。同時(shí)，由于GaN材料具有高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，其在高溫環(huán)境下工作時(shí)具有良好的散熱特性以及更高的可靠性[1]。

GaN微波功率器件及MMIC相關(guān)產(chǎn)品在雷達(dá)、通信衛(wèi)星和基站等通信設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著無(wú)線通信以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展，大功率、高效率GaN內(nèi)匹配功率管的研發(fā)需求越來(lái)越迫切。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)及相關(guān)企業(yè)紛紛推出不同頻段、不同功率級(jí)別的GaN內(nèi)匹配功率管產(chǎn)品，而在C波段，已經(jīng)報(bào)道的內(nèi)匹配功率管的功率從幾十瓦到上百瓦不等，日本Takao Ishida等學(xué)者報(bào)道過(guò)一款應(yīng)用于雷達(dá)的C波段100 W內(nèi)匹配功率管產(chǎn)品[2]；西電的盧陽(yáng)等人也報(bào)道了一款C波段102 W的高效率內(nèi)匹配GaN功率管[3]。本文基于南京電子器件研究所自主研制的GaN HEMT管芯，采用四胞合成的方式，在50 V條件下實(shí)現(xiàn)5.3～5.9 GHz頻帶內(nèi)輸出功率400 W，功率增益12 dB，帶內(nèi)附加效率48%以上。

2 GaN管芯

本文中選用的GaN HEMT由南京電子器件研究所研制，其AlGaN/GaN晶體管外延材料結(jié)構(gòu)截面圖如圖1所示，SiC襯底之上分別為成核層、摻Fe GaN緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢(shì)壘層和GaN帽層[4]，在GaN溝道層和AlGaN勢(shì)壘層之間有厚度約為1 nm的AlN插入層。管芯采用了對(duì)緩沖層摻雜適量Fe元素的方式提升了擊穿電壓。管芯采用“V”型柵結(jié)構(gòu)，直流測(cè)試得到器件兩端和三端擊穿電壓分別達(dá)到了180 V和160 V。

圖1 AlGaN/GaN晶體管截面示意圖

根據(jù)負(fù)載牽引測(cè)試結(jié)果，可以推算在6 GHz、50 V條件下，400 μm元件偏效率點(diǎn)的功率密度可以達(dá)到7.5 W/mm，根據(jù)此并結(jié)合匹配損耗及合成效率推算，為了實(shí)現(xiàn)400W以上的輸出功率，需要采用4個(gè)16mm的管芯進(jìn)行功率合成，16 mm管芯版圖如圖2所示。

圖2 16 mm柵寬GaN HEMT管芯版圖

3 內(nèi)匹配電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 GaN HEMT器件輸出阻抗模型

由于GaNHEMT管芯的功率密度可達(dá)7.5W/mm，遠(yuǎn)高于GaAs微波功率管（約10倍），且GaN器件的模型對(duì)熱效應(yīng)非常敏感，因此包含了熱效應(yīng)影響的負(fù)載牽引（Load-Pull）測(cè)試數(shù)據(jù)精度更高，可以直接用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。所以目前針對(duì)大柵寬、高功率的GaN器件，其輸出阻抗模型主要還是依據(jù)負(fù)載牽引測(cè)試結(jié)果。

本文中對(duì)PCM單胞0.4 mm柵寬的GaN管芯進(jìn)行Load-pull測(cè)量，得到其大信號(hào)負(fù)載阻抗，其測(cè)試結(jié)果如表1所示，然后按比例推算出16 mm柵寬GaN管芯的輸出阻抗，作為進(jìn)行管芯輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

表1為6.0 GHz頻點(diǎn)下負(fù)載牽引測(cè)試得到的最佳功率、效率阻抗點(diǎn)及其所對(duì)應(yīng)的功率、附加效率，測(cè)試條件為漏壓50 V。圖3為簡(jiǎn)化的GaN HEMT輸出阻抗電路模型，電阻和電容的值由負(fù)載牽引測(cè)得的阻抗值換算得到，考慮到最佳功率阻抗和最佳效率阻抗的折中，最終優(yōu)化出1 mm GaN功率管芯等效輸出電阻和等效輸出電容分別為96 Ω和0.34 pF。大柵寬管芯的輸出阻抗可以通過(guò)并聯(lián)來(lái)獲得。

表1 6.0 GHz的負(fù)載牽引測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 簡(jiǎn)化的GaN HEMT輸出阻抗電路模型

采用管芯的小信號(hào)模型參數(shù)設(shè)計(jì)輸入匹配電路，小信號(hào)模型可以通過(guò)在片測(cè)試小柵寬管芯的S參數(shù)進(jìn)行提取。

3.2 內(nèi)匹配電路的設(shè)計(jì)

內(nèi)匹配技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大功率器件的核心技術(shù)之一，GaN管芯柵寬越大，實(shí)阻抗部分越小，要把四胞管芯阻抗匹配到50 Ω，需要引入輸入、輸出內(nèi)匹配電路。匹配電路可以提升管芯輸入端與輸出端阻抗的實(shí)部，抵消虛部，使管芯及管芯各部分間在信號(hào)幅度與相位上獲得平衡，對(duì)參與匹配的管芯進(jìn)行功率分配與合成，并且最終將四胞管芯輸入輸出阻抗變換到50 Ω。

匹配電路采用傳統(tǒng)的匹配方式，主要包括兩個(gè)部分，一部分是帶阻抗變換的功率分配/合成器，功率分配/合成器的端口阻抗設(shè)置為15 Ω。在單個(gè)管芯的輸入端通過(guò)一級(jí)L-C-L將阻抗進(jìn)行提升，再通過(guò)兩段微帶線將阻抗變換到100 Ω，從而合成后實(shí)現(xiàn)50 Ω。輸出端阻抗首先經(jīng)一級(jí)L-C將單個(gè)管芯阻抗值進(jìn)行提升，并抵消掉阻抗虛部，再經(jīng)過(guò)兩段微帶線后匹配到100 Ω，從而合成后實(shí)現(xiàn)50 Ω。最終對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行了MOMENTUM仿真，圖4為四胞GaN內(nèi)匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖4 內(nèi)匹配功率管總體拓?fù)涫疽鈭D

3.3 內(nèi)匹配電路的實(shí)現(xiàn)

采用薄膜電路工藝制作內(nèi)匹配電路，功率分配/合成器均制作在A12O3陶瓷基片（介電常數(shù)為9.9，厚度為380 μm）上，端口之間制作平衡電阻，增加各路之間的隔離。

在L-C型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，電感使用鍵合金絲等效，電感為[5]：

式中：D為金絲直徑，n為金絲的根數(shù)，l為金絲長(zhǎng)度，s為金絲間距，鍵合金絲直徑為25 μm。

電容采用Al2O3陶瓷基片制作，雙面鍍金的電容值 C 為[5]：

式中：εr為材料的相對(duì)介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，a為長(zhǎng)，b為寬，t為厚度，K為修正因子，通常取值為1.2～1.8。文中所用陶瓷基片介電常數(shù)為85，厚度為180 μm。

根據(jù)設(shè)計(jì)仿真，電路片、管芯、電容等合理排布并用290℃金錫焊料燒結(jié)在高熱導(dǎo)率管殼中以降低熱阻，并用金絲鍵合。圖5為最終實(shí)現(xiàn)的內(nèi)匹配功率管正面照片。完成裝配后，首先對(duì)器件進(jìn)行初步測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整管芯柵和漏端的鍵合金絲長(zhǎng)度和弧度以及匹配電容值的大小，使整個(gè)器件的匹配達(dá)到最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)50 Ω匹配及功率最大，效率最佳。

圖5 內(nèi)匹配功率管照片

4 測(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)功率管進(jìn)行了測(cè)試，條件為：柵電壓-2.9 V，漏電壓50 V，周期1 ms，占空比10%，輸入功率恒定44 dBm時(shí)，其輸出功率與附加效率測(cè)試結(jié)果如圖6所示。在5.3～5.9 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率大于400 W，帶內(nèi)最高點(diǎn)處達(dá)到最大值431 W。各頻點(diǎn)功率附加效率均在48.2%以上，最高點(diǎn)達(dá)到52.06%。從圖中可以看出功率增益大于12 dB，最高點(diǎn)達(dá)到12.35 dB。

圖6 微波測(cè)試結(jié)果

上述測(cè)試結(jié)果表明，在5.3～5.9 GHz，匹配合成后的器件在脈沖條件下GaN HEMT管芯的功率密度可達(dá)到6.25～6.73 W/mm，采用總柵寬為4×16 mm的管芯，最終實(shí)現(xiàn)了輸出功率400 W以上的器件。

5 總結(jié)

本文采用自主研發(fā)的GaN HEMT管芯進(jìn)行了四胞功率匹配合成，實(shí)現(xiàn)了大柵寬管芯的功率阻抗匹配，研制出在5.3～5.9 GHz頻帶內(nèi)輸出功率400 W、功率附加效率超過(guò)48.2%、功率增益大于12 dB的GaN內(nèi)匹配功率管。采用該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的內(nèi)匹配功率管可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率，在固態(tài)微波放大器中有很好的應(yīng)用前景。

[1]MILLIGAN J W,SHEPPARD S,PRIBLE W,et al.SiC and GaN wide bandgap device technologyoverview[C].Proceedings of IEEE Radar Conference.Boston MA，USA，2007:960-964.

[2]Takao Ishida.GaN HEMT Technologies for Space and Radio Applications[C].IEICE technical Report,2011，54（8）：56.

[3]Yang Lu,Mengyi Cao,et al.71%PAE C-band GaN power amplifier using harmonic tuning technology[J].Electronic Letter,2014,50（17）：1207-1209.

[4]Ren Chunjiang,Li Zhonghui,Yu Xuming,et al.Field plated 0.15 μm GaN HEMTs for millimeter-wave application[J].Chinese Journal of Semiconductor,2013,34(6):064002-1-064002-5.

[5]李效白.砷化鎵微波功率場(chǎng)效應(yīng)管及其集成電路[M].北京：科學(xué)出版社，1982：279.