增强型Cascode结构氮化镓功率器件的高能质子辐射效应研究

针对增强型共栅共源(Cascode)级联结构和耗尽型AlGaN/GaN功率器件,利用60 MeV能量质子开展辐射效应研究.获得了经质子辐照后器件电学性能的退化规律,并与常规耗尽型HEMTs器件辐照后的电学性能进行了比较,发现增强型Cascode结构器件对质子辐照更加敏感,分析认为级联硅基MOS管的存在是其对质子辐照敏感的主要原因.质子辐照使硅基MOS管栅氧化层产生大量净的正电荷,诱导发生电离损伤效应,使其出现阈值电压负向漂移及栅泄漏电流增大等现象.利用等效(60 MeV能量质子,累积注量1×10^(12)p/cm^(2))剂量的^(60)Coγ射线辐射器件得到电离损伤效应结果,发现器件的电学性能退化规律与60 MeV能量质子辐照后的退化规律一致.通过蒙特卡罗模拟得到质子入射在Cascode型器件内诱导产生的电离能损和非电离能损,模拟结果表明电离能损是导致器件性能退化的主要原因.

一种用于生产的GaN HEMT器件空气桥的设计

为了解决当前GaN HEMT器件空气桥起桥角度、桥胶高度不稳定且易受后续步骤影响导致桥胶坍塌的问题,通过分别改变光刻胶定型桥的烘胶温度、烘胶时间以及曝光过程中的曝光焦距,观察不同条件下光刻胶定型桥桥胶的形貌和参数,选择最优的光刻胶定型桥的制作方法。并将最优烘胶温度、最优烘胶时间以及最优曝光条件整合,设计了一种适用于生产的拱形空气桥制作方法,得到了具有良好拱形且表面光滑的高质量、稳定且适合生产的空气桥。

S波段宽带GaN芯片高功率放大器的应用研究

介绍了一种采用阻抗匹配技术和功率合成技术相结合的方法,利用4只GaN HEMT功率芯片研制成功的S波段宽带、大功率、高功率密度放大器。具体的技术途径是通过预匹配技术提高芯片输入阻抗,运用切比雪夫匹配法实现宽带阻抗匹配,优化隔离电阻增加合成支路间的隔离度,同时提高电路的稳定性。放大器最终实现的性能指标是:脉宽300μs,占空比10%,S波段30%相对带宽内脉冲输出功率大于65W,附加效率大于45%。由此进一步表明了此类GaN芯片高功率放大器相对于Si和GaAs功率器件放大器在带宽和功率密度等性能上具有较大的优势并具有广阔的工程应用前景。

宽带功率放大器温度可靠性研究

本文通过一系列的实验对宽带放大器的温度可靠性进行了测试和分析.旨在通过环境温度测试及温度突变测试来研究温度对功率放大器直流特性、S参数、RF输出特性和可靠性的影响.实验结果表明,环境温度的升高和突变会引起功率放大器性能发生显著退化.这对射频设备的可靠性研究和设计提供重要的指导.

发展中的GaN微电子(一)

GaN微电子是继GaAs微电子之后在21世纪新发展起来微电子领域的国际战略制高点。从功率密度、高频性能、增强型器件与数字电路等方面阐述了GaN微电子最新的关键技术突破,并介绍了GaN微电子从UHF频段到3 mm波段在通讯、雷达和电子对抗等领域的应用研究进展。从GaN HEMT器件的电流崩塌、栅漏电流、逆压电效应、热电子和热声子效应等失效机理分析入手,综述了GaN微电子可靠性研究的进展。最后展望了GaN微电子发展机遇。

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管大信号I-V特性模型(英文)

对非线性电流源Ids(Vgs,Vds)的准确描述是Al GaN/GaN HEMT大信号模型的最重要部分之一.Materka模型考虑了夹断电压与Vds的关系,其模型参数只有三个,但是Ids与Vgs的平方关系不符合实际,计算结果与测量数据有误差.我们在考虑了栅电压与漏电流的关系及不同栅压区漏电流随漏电压斜率改变的基础上,提出了改进的高电子迁移率晶体管(HEMT)的直流特性模型.采用这个模型,计算了Al GaN/GaN HEMT器件的大信号I-V特性,并与实际测量数据进行了比较.实验结果表明改进的模型更精确,Ids与Vgs的呈2.5次方的指数关系.

平面式高功率信号放大器设计

氮化镓高电子迁移率晶体管(Ga N HEMT)具有高功率密度、高效率和高工作温度的优异特性,在电子装备和武器系统中具有广泛应用。随着以固态功放为核心的有源阵面的不断增加,高效率,高功率,小型化的功率放大器成为未来有源相控阵雷达的首选功率器件。本文通过采用新颖的偏置电路实现了一款便于T/R组件内部集成的平面式、小型化、高效率Ga N内匹配功率放大器,经测试,在3.1-3.4GHz带宽内,连续波输出可达80W以上,附加效率≥65%,功率增益≥12d B,外形尺寸仅有15mm*6.6mm*0.8mm。经过射频加速寿命试验及多批次系统联机测试,该产品完全满足相控阵雷达系统的使用要求。

基于增强型GaN HEMT的半桥开关电路设计与测试

为了进一步提高现有功率变换系统的开关频率,采用增强型GaNHEMT器件设计出适用于高速开关控制的半桥开关电路。该半桥开关电路采用新型栅驱动电路,实现增强型GaNHEMT器件的高速控制,进而实现开关速度的提升。将该半桥开关电路用于一种48V转12V的高效DC/DC电源变换系统中,测试结果表明该半桥开关电路的开关频率超过600KHz,半桥驱动电流为10A,验证了所提出驱动方法的有效性。

基于AlGaN/GaN HEMT的X波段内匹配功率合成放大器的设计

利用内匹配和功率合成技术设计了X波段AlGaN/GaN HEMT功率合成放大器。电路包含有四个AlGaN/GaNHEMT和制作在Al2O3陶瓷基片上的输入输出匹配电路。在偏置条件VDS=30 V,IDS=700 mA时8 GHz测出连续波饱和输出功率达到Psat=40 dBm(10 W),最大PAE=37.44%,线性增益9 dB.

一个8GHz基于AlGaN/GaN HEMT的内匹配电路

论述了一个在8 GHz下基于AlGaN/GaN HEMT功率放大器HMIC的设计、制备与测试。该电路包含了1个10×100μm的AlGaN/GaN HEMT和输入输出匹配电路。在偏置条件为VDS=40 V、IDS=0.16 A时输出连续波饱和功率在8GHz达到36.5 dBm(4.5 W),PAE为60%,线性增益10 dB;在偏置条件为VDS=30 V、IDS=0.19 A时输出连续波饱和功率在8 GHz达到35.6 dBm(3.6 W),PAE为47%,线性增益9 dB。

E波段3.5 W GaN宽带高功率放大器MMIC

基于自主开发的100 nm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,研制了一款工作频段覆盖E波段(60~90 GHz)的宽带高功率放大器芯片。放大器采用密集通孔结构的共源极晶体管,降低寄生效应,提高器件的高频增益。同时采用三级级联拓扑结构,结合紧凑的微带线宽带匹配电路,在60~92 GHz频率范围内,典型线性增益达到10.4 dB,增益平坦度为±1 dB,输入输出回波损耗小于等于-11 dB。通过行波式功率合成网络,在连续波状态下,芯片全频带内饱和输出功率不低于1.7 W。在64 GHz,最高输出功率达到3.5 W,相应功率增益为8.4 dB,功率附加效率为12.6%。

SiC MOSFET和GaN HEMT的导通电阻可靠性评估

碳化硅金属氧化物半导体场效应管(Si C MOSFET)和氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)这两种器件内部存在容易捕获电子的"陷阱",会影响导电沟道的性能,进而影响器件的导通电阻。对SiC MOSFET和GaN HEMT各选取了一款典型的商用器件,分别对Si C MOSFET和GaN HEMT的导通电阻可靠性进行了测试。测试结果表明,Si C MOSFET的导通电阻变化量相对小,且应力停止后导通电阻可以恢复到初始状态,这说明其界面态陷阱密度比GaN HEMT更低,因此实际应用中无需考虑导通电阻的稳定性;而GaN HEMT的动态电阻变化较大,这极大地增加了导通损耗,影响系统的可靠性,因此在实际应用中需要考虑导通电阻变化对导通性能的影响。

质子辐照对场板AlGaN/GaN HEMT器件电特性的影响

分别采用3Me V和10Me V的质子对Ga N基HEMT(High Electron Mobility Transistor)器件进行辐照.实验发现:低注量辐照引起了体材料载流子浓度增加,高注量辐照引起了HEMT器件漏电流下降,跨导减小,阈值电压显著退化的结果.通过分析发现辐射感生受主缺陷引起的2DEG浓度降低是上述器件退化的主要原因.此外基于实验结果,采用辐射感生受主缺陷退化模型仿真并计算了HEMT器件主要参数随受主浓度的退化规律,仿真结果与实验结果有较好的一致性.本文实验结果也表明场板结构和Si N钝化层有效地阻止了电子陷落在表面态中,屏蔽了绝大部分的辐照损伤,是很有效的辐射加固手段.

20～1000 MHz 100 W GaN宽带功率放大器研制

随着通信、对抗和测试设备的工作带宽逐渐增加,对相应功率放大器的带宽要求也越来越宽,而基于第三代半导体材料的GaN HEMT具备宽工作频带的特性,有满足新需求的潜力。运用传输线变压器(Transmission Line Transformer,TLT)加载铁氧体磁芯的技术对GaN HEMT进行宽带匹配,研制了工作于20~1 000 MHz的功率放大器。通过建立和优化TLT模型,拓展频率低端,最终测试结果表明,在整个带宽内,输出功率≥107 W,增益≥11.3 d B,功率附加效率≥34.5%,成功将此功率量级的宽带功率放大器工作倍频层由3拓展到5以上。此功率放大器适用于同时要求宽带宽和高功率的系统中,如EMC测试、电子对抗和宽带通讯等。

C波段GaN高功率放大器设计

采用内匹配和功率合成技术,设计了C波段GaN HEMT高功率放大器。电路采用6胞芯片进行功率合成,在陶瓷(Al2O3)基片上设计制作功分器,使其输入输出阻抗均为50Ω。实际脉冲测试该功放饱和输出功率达到220 W以上,增益大于11 d B,功率附加效率大于48%,功率合成效率比达到90%。

基于红外测温的GaN HEMT器件结构函数法热阻测量

为了准确的测量GaN HEMT的热阻参数,在两种不同的管壳接触热阻条件下,利用经过改进的显微红外热像仪测量了GaN HEMT的降温曲线。采用结构函数算法对两种降温曲线进行分析,得到了反映器件各层材料热阻的积分结构函数曲线。当管壳接触层由空气变化为导热硅脂时,积分结构函数曲线发生了变化。通过结构函数曲线能够明确区分被测件不同层的热阻。可以将被测件的分成7层结构,与器件真实结构基本一致。

p-GaN在不同掩膜和刻蚀气体中的ICP刻蚀

p-GaN栅沟槽侧壁与AlGaN表面特性直接影响栅注入（GIT）型AlGaN/GaN HEMT器件的输出特性及击穿特性。对比研究了两种刻蚀气体（SF6/BCl3和Cl2/N2/O2）及不同的刻蚀掩膜层（SiO2,Si3N4和光刻胶）对AlGaN上p-GaN的选择性刻蚀结果,利用原子力显微镜（AFM）对刻蚀沟槽的表面形貌进行表征,并通过I-V测试其电学性能。结果显示,以Cl2/N2/O2为刻蚀气体,且体积流量为18,10和2 cm^3/min时,p-GaN刻蚀速率稳定且与AlGaN的刻蚀选择比较高（约30）,并且可使p-GaN刻蚀自动停止在AlGaN界面处。此外,以Si3N4作为刻蚀掩膜,可以获得表面光滑、无微沟槽且侧壁垂直度较好的沟槽结构。采用上述刻蚀工艺制备的GIT结构器件的漏端关态电流相比肖特基栅降低约2个量级,阈值电压约为0.61 V,峰值跨导为36 m S/mm。

AlGaN/GaN HEMT电学特性的ATLAS模拟

分析了AlGaN/GaN HEMT器件的结构及特性,2DEG的浓度与器件的电学特性的关系。在仿真软件ATLAS上构建器件模型,对器件的转移特性和输出特性进行了模拟仿真,并对仿真结果进行分析。