SiC襯底X波段GaN MMIC的研究
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GaN微波單片集成電路(MMIC)具有高工作電壓、高輸出功率、頻帶寬、損耗小、效率高、體積小、抗輻照等特點，具有誘人的應(yīng)用前景，成為國內(nèi)外許多研究機構(gòu)的研究熱點。德國R．Behtash等人制作出X波段GaN MMIC，工作電壓30V，工作頻率10 GHz時，輸出功率為39 Bm(CW)，增益大于10 dB；美國D．M．Fanning等人研制出Si襯底25 W X波段GaN HEMT功率放大器MMIC，放大器分兩級：輸入級柵寬2．5 mm，輸出級柵寬11．4 mm，漏壓為30 V時，在10 GHz頻率下，脈沖工作方式輸出功率為25W，增益為15 dB，功率附加效率為21％；漏極偏置電壓為24V時，在8～12．5 GHz頻段內(nèi)連續(xù)波輸出功率為20W，最大飽和漏電流密度為570 mA／mm。
國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究時間相對較短，受模型、工藝、材料等因素的限制，研究相對較慢。2007年2月，國內(nèi)研制出x波段GaN MMIC，報道脈沖輸出功率大于10 W。
本文使用國產(chǎn)6H-SiC襯底的外延材料自主研制了A1GaN／GaN HEMT，使用器件典型脈沖數(shù)據(jù)、S參數(shù)數(shù)據(jù)、微波功率數(shù)據(jù)建立器件的大信號模型，將器件的大信號模型內(nèi)嵌到ADS軟件系統(tǒng)，建立微帶結(jié)構(gòu)的GaN MMIC電路，在ADS環(huán)境中優(yōu)化電路設(shè)計，測試結(jié)果顯示當(dāng)頻率在9．1~10．1 GHz，帶內(nèi)連續(xù)波輸出功率大于10 W，峰值達到11．04 W，帶內(nèi)增益大于12 dB，平坦度為土0．2 dB，ηPAE大于30％。本研究實現(xiàn)了GaNMMIC從襯底到電路的全部國產(chǎn)化。
1 AIGaN／GaN HEMT研制
采用國產(chǎn)半絕緣6H-SiC襯底利用MOCVD外延GaN HEMT外延材料，采用離子注入工藝進行有源區(qū)隔離，源漏金屬采用Ti／Al／Ni／Au系統(tǒng)，柵金屬為Ni／Au，研制的單胞總柵寬為2．5 mm的AIGaN／GaN HEMT，工作電壓達到40．5 V，X波段連續(xù)波輸出功率達到20 W，線性增益大于10 dB，ηPAE大于40％，輸出功率特性曲線如圖1所示。
2 GaN MMIC設(shè)計與研制
2．1 AIGaN／GaN HFET大信號模型的建立
精確的非線性器件模型是功率放大器單片設(shè)計的關(guān)鍵。目前有關(guān)AIGaN／GaN HEMT的建模技術(shù)并不成熟，無專業(yè)的商業(yè)軟件用于建模。本文在借鑒GaAs功率器件建模的基礎(chǔ)上采用改進的Materka模型，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。利用分步提取參數(shù)的方法，對l mnl AIGaN／GaN HEMT進行非線性模型的建模，參數(shù)提取包括5步：(1)從脈沖柵電流測量數(shù)據(jù)中提取柵電流參數(shù)和內(nèi)建勢；(2)從改進的Cold FETS參數(shù)測量數(shù)據(jù)中提取寄生參數(shù)，包括源、漏、柵電阻和電感；(3)從脈沖漏源電流測量數(shù)據(jù)中提取漏源電流參數(shù)；(4)從工作偏置狀態(tài)S參數(shù)測量數(shù)據(jù)中提取本征模型參數(shù)；(5)提取柵電容模型參數(shù)。建立的1 mm器件大信號模型參數(shù)，如圖3所示，其中實線為測試數(shù)據(jù)，虛線為仿真數(shù)據(jù)。圖3表明，模型仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合得較好，能真實地反映器件的特性。
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