高效率X波段GaN MMIC功率放大器的研制

突破了GaN MMIC功率放大器的设计、制造、测试等关键技术,研制成功X波段GaN MMIC功率放大器。设计及优化了电路拓扑结构及电路参数,放大器芯片采用了国产外延材料及标准芯片制作工艺。单片功率放大器包含两级放大电路,采用了功率分配及合成匹配电路,输入输出阻抗均为50Ω。制作了微波测试载体及夹具,最终实现了X波段GaN MMIC功率放大器微波参数测试。在8.7～10.9 GHz频率范围内,该功率放大器输出功率大于16 W,功率增益大于14 dB,增益波动小于0.4 dB,输入驻波比小于2∶1,功率附加效率大于40%,带内效率最高达52%。

超宽带SiC MESFET器件的研制

采用中国电子科技集团公司第十三研究所自主外延材料及标准工艺平台制作了SiC MESFET芯片,采用管壳内匹配及外电路匹配相结合的方法,制作了超宽带SiC MESFET器件。优化了管壳内匹配形式,采用内匹配技术提高了器件输入阻抗及输出阻抗,采用外电路匹配的方法对器件阻抗进行了进一步提升。通过对输出匹配电路的优化实现了超宽带功率输出。优化了外电路偏置电路,消除了栅压调制效应,提高了电路稳定性。栅宽5 mm器件,脉宽为100μs、占空比为10%脉冲工作,工作电压VDS为48 V,在0.8～2.0 GHz频带内脉冲输出功率为15.2 W(41.83 dBm),功率密度达到3.04 W/mm,功率增益为8.8 dB,效率为35.8%,最终实现了超宽带大功率器件的制作。

2～12GHz集成E/D驱动功能的数控衰减器单片

在GaAs衬底上集成增强/耗尽型数字驱动器和数控衰减器,实现了数字电路与微波电路的一体化集成。数字部分采用直接耦合场效应逻辑结构实现,具有结构简单、速度快和功耗低等优点。2～12 GHz 6 bit数控衰减器,内置6位并行驱动电路,控制端减少为6个,晶体管—晶体管逻辑电路(TTL)电平控制,并行输入控制信号。电路测试结果为:插入损耗≤4.5 dB,开关时间≤15 ns,输入输出驻波比≤1.4∶1,均方根衰减误差(全态)≤0.7 dB,静态功耗为2.0 mA@-5 V,芯片尺寸为2.6 mm×1.6 mm×0.1 mm。在GaAs PHEMT衬底上实现了数字驱动和数控衰减等功能的集成,控制电平兼容应用系统电平,应用更简单,可靠性更高。

基于GaAs PHEMT的Ku波段宽带单片中功率放大器

设计并实现了一款Ku波段宽带单片中功率放大器,依据电路原理设计了功率放大器电路,利用ADS软件对设计的电路和版图分别进行了电学参数优化与电磁仿真。放大器采用0.25μm栅长的GaAs PHEMT作为有源器件,芯片衬底减薄至80μm,采用了NiCr金属膜电阻、重叠式MIM(金属-绝缘体-金属)电容器、空气桥连接和背面通孔接地等工艺技术。放大器芯片输入输出端口匹配到50Ω。微波性能测试结果表明,单片放大器的工作频率为13～18GHz,功率增益19dB,饱和输出功率29dBm,功率附加效率30%。

GaAs高效率高线性大功率晶体管

介绍了一种GaAs高效率高线性大功率晶体管的设计、制作和性能,包括材料结构设计、电路的CAD优化设计、功率合成技术研究等。通过管芯的结构设计、材料优化,进行了GaAs微波大栅宽芯片的研制;通过内匹配技术对HPFET（high performance FET）管芯进行阻抗匹配,实现了器件的大功率输出;通过提高栅-漏击穿电压、降低饱和压降等手段提高器件的功率和附加效率;通过严格控制栅凹槽的宽度,实现了较好的线性特性。测试结果表明,器件在5.3-5.9GHz频段内,P1dB为45W,功率附加效率ηadd为41%,实现了预期的设计目标。

L波段GaN HEMT器件的研制

基于标准工艺自主研制了L波段0．5μm栅长的GaNHEMT器件。该器件采用了利用MOCVD技术在3英寸（1英寸=2．54cm）SiC衬底上生长的A1GaN／GaN异质结外延材料，通过欧姆接触工艺的改进将欧姆接触电阻值控制在了0．4Ω·mm以内，采用场板技术提高了器件击穿电压，采用高选择比的刻蚀工艺得到了一定倾角的通孔，提高了器件的散热能力及增益。结果表明，采用该技术研制的两胞内匹配GaNHEMT器件在工作频率1．5～1．6GHz下，实现了输出功率大于66W、功率增益大于15．2dB、功率附加效率大于62．2％。

Ka波段高效率GaAs功率放大器MMIC

采用GaAs PHEMT工艺,研究了PHEMT器件材料结构和大信号建模,分析了如何提高电路效率,并利用ADS软件对电路进行了原理图与版图优化设计,成功研制了高效率Ka波段GaAs功率放大器MMIC。电路采用三级级联放大,各级选取合适的总栅宽,使用Wilkinson功率分配/合成网络,采用阻性网络消除奇模振荡,输入输出均匹配至50Ω。在36～40 GHz频带内测试,测试结果表明:饱和输出功率大于2 W,功率增益大于17 dB,功率附加效率大于20%,频带内最高效率高达25%,芯片尺寸3.7 mm×3.2 mm。

S波段GaN功率放大器MMIC

基于0.25μm Ga N HEMT工艺,研制了一款S波段Ga N功率放大器单片微波集成电路（MMIC）。该电路采用三级拓扑放大结构,提高了放大器的增益;采用电抗匹配方式,减小了电路输出级的损耗,提高了MMIC的功率和效率。输出级有源器件的布局优化,改善了放大器芯片的温度分布特性。测试结果表明,在2.8~3.6 GHz测试频带内,在脉冲偏压28 V（脉宽100μs,占空比10%）时,峰值输出功率大于60W,功率附加效率大于45%,小信号增益大于34 d B,增益平坦度在±0.3 d B以内,输入电压驻波比在1.7以下;在稳态偏压28 V时,连续波饱和输出功率大于40 W,功率附加效率38%以上。该MMIC尺寸为4.2 mm×4.0 mm。

InGaP/GaAs HBT器件的制备及其特性

采用在发射区台面腐蚀时保留InGaP钝化层和去除InGaP钝化层的方法制备了两种InGaP/Ga As异质结双极晶体管(HBT)器件,研究了InGaP钝化层对HBT器件基区表面电流复合以及器件直流和射频微波特性的影响。对制备的两种器件进行了对比测试后得到:保留InGaP钝化层的HBT器件最大直流增益(β)为130,最高振荡频率(fmax)大于53 GHz,功率附加效率达到61%,线性功率增益为23 dB;而去除InGaP钝化层的器件最大β为50,f_(max)大于43 GHz,功率附加效率为57%,线性功率增益为18 dB。测试结果表明,InGaP钝化层作为一种耗尽型的钝化层能有效抑制基区表面电流的复合,提高器件直流增益,改善器件的射频微波特性。

90nm T型栅工艺在高频GaAs PHEMT MMIC中的应用

采用PMMA/P（MMA-MAA）/PMMA三层胶结构,通过优化电子束直写电压、束流和显影等工艺参数,得到了理想的光刻胶形貌。利用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法实现了双凹槽栅结构。通过优化蒸发功率、蒸发时间及各层金属厚度,解决了栅掉帽的问题。开发了90 nm自对准双凹槽T型栅电子束三层胶光刻工艺技术。应用90 nmT型栅工艺制作了W波段GaAs PHEMT功率放大器及V波段Ga As PHEMT低噪声放大器。测试结果表明,在频率为90~96 GHz、源漏电压5 V、栅源电压-0.3 V、输入功率13 dBm时,功率放大器电路输出功率为20.8 dBm,功率增益为7.8 dB;在频率为57~64 GHz、源漏电压2.5 V、漏极电流55 m A时,低噪声放大器增益大于24 dB,带内噪声系数小于3.5 dB,验证了该工艺技术的可行性和可应用性。

GaAs HEMT开关器件的大信号模型

为了更好地表征GaAs HEMT开关器件的特性,提出了一种基于经验公式的改进型大信号模型。基于0.25μm HEMT工艺制备不同栅指数和单指栅宽的GaAs HEMT开关器件,然后对这些器件进行直流I-V特性和多偏置S参数的测试。采用栅源电流模型、漏源电流模型和电容模型对测试曲线进行拟合,从而得到可定标的GaAs开关大信号模型。对模型的开态插损和关态隔离度进行小信号仿真,模型的仿真结果与测试结果吻合较好,验证了此模型有较高的精准度。通过大信号负载牵引测试验证了模型的有效性,此模型可用于GaAs HEMT开关器件的设计、开发及应用。

国外GaN功率器件衬底材料和外延技术研发现状

GaN基功率器件的衬底和外延技术的发展对于器件性能的提升和成本的降低起着非常重要的作用。介绍了国外SiC基、Si基以及新型金刚石基GaN功率器件衬底材料和GaN外延技术的研发现状。重点讨论了大尺寸衬底技术(6英寸SiC衬底、8英寸Si衬底)、GaNHEMT与SiCMOS器件异质集成技术以及金刚石基GaNHEMT材料集成技术的研发进展。分析了GaN功率器件材料技术的发展趋势,认为更大尺寸更高质量衬底和外延材料制作、外延技术的改进、金刚石等新型衬底材料研发以及GaN基材料与Si材料的异质集成技术等将是未来研究的重点。

SiC材料的ICP-RIE浅槽刻蚀工艺

介绍了用于SiC器件浅槽制作的ICP-RIE刻蚀原理,选用Cl2/Ar混合气体对SiC材料进行浅槽刻蚀,研究了ICP功率和RIE功率对刻蚀速率、刻蚀后表面粗糙度及刻蚀倾角的影响,得到了刻蚀速率、刻蚀后表面粗糙度及刻蚀倾角随刻蚀功率的变化规律。最终得到了用于SiC器件浅槽刻蚀的最优刻蚀条件。实验结果表明,RIE功率和ICP最优功率配比分别为12和500 W。该刻蚀条件应用于SiC MESFET制备中,进行了多凹槽栅结构的浅槽刻蚀,实现了多凹槽栅结构。不同深度栅凹槽的片内均匀性均达到了4%以内,片间均匀性也达到了5%,工艺稳定性及均匀性均达到了批量生产要求。

毫米波GaN基HEMT功率MMIC

基于标准的Si C衬底Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）工艺研制了毫米波段单片微波集成电路（MMIC）芯片。首先采用插入隔离层的方式得到复合沟道AlxGa1-xN/Al N/AlyGa1-yN/GaN HEMT结构。以EEHEMT模型作为粗糙模型,采用神经空间路线图的方法建立了人工神经网络模型,更好地表征了器件特性,提高了模型在毫米波下的精度。基于器件模型,进行了毫米波MMIC的设计,运用网络综合设计出简洁的电路拓扑和最优的宽带性能。芯片工艺采用0.2μm介质栅场板结构提高器件的微波性能。研制的2级功率MMIC在27-30 GHz频段,工作电压25 V时,输出功率大于2.6 W,功率附加效率大于15%,功率增益大于9 d B。

太赫兹InP HEMT器件的研究

采用减小栅长的方法可以显著提高In P高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的直流和微波性能,并使器件的工作频率上升到太赫兹频段。分别制备了不同栅长的InP HEMT器件,采用T型栅工艺减小器件的寄生栅电阻,并通过减小栅极与漏极的间距进一步减小了漏极寄生电阻。比较了不同栅长尺寸器件的直流、微波和寄生电阻的性能差别。测试结果表明,栅长减小,器件的饱和电流、直流跨导、交流跨导和截止频率越大,相应地,器件的栅电容、延迟时间和寄生电阻越小。最后,对InP HEMT器件进行了建模,模型仿真与测试结果拟合良好。

高效率GaN MMIC优化技术的研究

使用国产SiC衬底的GaN HEMT外延材料实现了大功率、高效率的GaN HEMT器件,建立了大信号模型,利用ADS软件建立了GaN MMIC的拓扑,仿真了驱动比对电路性能的影响。仿真结果表明,驱动比由2(电路1)增加到3(电路2),效率提高10%。工艺上分别实现了两种电路,测试表明,效率由25%(电路1)提高到30%(电路2),验证了仿真结果。电路2在测试频率为8～10 GHz时,脉冲输出功率大于21 W,增益大于15 dB,效率大于35%;频率为8 GHz时,输出功率最大值为25 W,效率最大值为45%,具有较好的性能。

GaAs工艺监测研究

介绍了GaAs MMIC(GaAs microwave monolithic integrated circuit)工艺运用监测技术控制工艺过程,实时掌握工艺状况,保证产品的一致性、可重复性和可靠性。针对薄层电阻和接触电阻的阻值以及器件的栅阻和栅长等工艺过程中关键的参数,分别用范德堡结构、开尔文结构和十字桥结构进行监测。采用范德堡结构测得薄层电阻Rs=(π/ln 2)V14/I23,开尔文结构得到接触电阻Rc=V13/I24,十字桥结构可以了解栅阻和栅长。然后通过运用统计过程控制技术对数据进行分析,可以有效改进工艺,提高产品质量。

AlGaN/GaN HEMT器件结构退化影响因素的研究现状

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件由于高压、大功率等应力条件导致的电学退化过程中往往伴随着结构退化现象产生,结构退化研究对提高器件可靠性起着重要的作用。介绍了近年来国外在高压、大功率、高温、加压时间及辐射等不同因素对GaNHEMT器件结构退化的影响方面的研究进展。发现GaNHEMT器件的栅边缘下方出现的凹点和裂纹等结构缺陷是高压、大功率、高频等许多应力条件下都会出现的普遍现象,且凹点和裂纹的退化程度随电学退化程度的加深而加大,并导致器件的可靠性下降。GaNHEMT器件结构退化现象的本质以及改进措施将是未来研究的重点。

连续波80W大功率SiC MESFET

在高纯半绝缘(HPSI)衬底上外延生长了SiC材料,自主开发了SiC MESFET器件制作工艺,实现了单胞栅宽27 mm芯片的制作。优化了芯片装配形式,通过在管壳内外引入匹配网络提升了芯片输入阻抗及输出阻抗。利用管壳外电路匹配技术,采用管壳内匹配及外电路匹配相结合的方法对器件阻抗进行了进一步提升。优化了管壳材料结构,采用无氧铜材料提高了管壳散热能力。采用水冷工作的方式解决了大功率器件散热问题,降低了器件结温,可靠性得到提高。采用多胞芯片匹配合成技术,实现四胞4×27 mm芯片大功率合成。四胞芯片封装器件在连续波工作频率为2 GHz、Vds为37.5 V时连续波输出功率达80.2 W(49.05 dBm),增益为7.0 dB,效率为32.5%。

8.9W/mm高功率密度SiC MESFET器件研制

基于自主研发的碳化硅(SiC)材料外延技术,优化了材料各层结构及参数,减小了Al记忆效应,最终得到了高质量SiC外延片。采用自主研发成熟的SiC MESFET工艺平台,制作了多凹栅器件结构,优化了凹槽尺寸,采用细栅制作技术完成了栅电极制作,最终得到了不同栅宽的SiC MESFET芯片。突破了大栅宽芯片流片、封装及大功率脉冲测试技术,研制成功了微波功率特性良好的MESFET器件。微波测试结果表明,在2 GHz脉冲条件下,0.25 mm栅宽器件,输出功率密度达到8.96 W/mm,功率附加效率达到30%。单胞20 mm大栅宽器件,3.4 GHz脉冲条件下,功率输出达到94 W,功率附加效率达到22.4%。