一种L波段300W GaN脉冲功率模块

随着第三代半导体GaN器件技术的不断发展,GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在电子系统中逐步得到了广泛应用。研制了一款小型化L波段300 W GaN脉冲功率模块。研发了满足高压脉冲工作条件的GaN HEMT芯片,采用负载牵引技术进行了器件大信号阻抗参数提取,并以此为基础设计了小型化匹配网络进行阻抗变换。基于高压驱动芯片和开关器件芯片设计了小型化高压脉冲调制电路。测试结果表明,在工作频率990~1130 MHz、工作电压50 V、脉冲宽度100μs、占空比10%下,功率模块脉冲输出功率大于300 W,功率附加效率大于53%,功率增益大于38 dB。功率模块尺寸为30 mm×30 mm×8 mm。

一种抑制栅极正负向串扰的GaN HEMT无源驱动电路

GaN器件由于其更快的开关速度,比硅器件更容易发生严重的开关振荡,也更容易受到栅源电压振荡的影响。为了抑制GaN基半桥结构中的串扰,提出了一种抑制GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)栅极正负向串扰的无源钳位驱动电路来抑制栅源电压振荡。采用基本无源元件建立自举驱动回路,并增加三极管以构成从驱动电路到GaN HEMT的低阻抗米勒电流路径,抑制正负向串扰。在LTspice软件下进行电路模拟仿真,并搭建实验平台进行实测验证,结果表明栅源电压的最大正向串扰可降至1.2 V,最大负向串扰可降至1.6 V,漏源电流的正向和负向串扰均降至2 A以下,证明该电路对栅源电压以及漏源电流的振荡均有良好的抑制效果。

具有自驱动有源缓冲器的GaN基高效准谐振反激式功率变换器

提出了一种具有自驱动有源缓冲器的GaN基高效准谐振(QR)反激式功率变换器,以解决准谐振反激式功率变换器中开关管关断时电压过高的问题。电路以GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件为主开关管和同步整流器开关管,自驱动有源缓冲器由钳位电容和有源开关管组成。该变换器在主开关管关断期间将开关管的电压浪涌钳位为恒定电压,由于有源开关管驱动信号由变压器的次级侧电流控制,因此不需要单独的控制电路。为验证所提出的变换器和控制电路的有效性,搭建了一个60 W的AC-DC功率变换器,测试结果表明,主开关管的最大电压浪涌约为450 V,具有高达91.6%的能量转换效率。

双栅GaN HEMT生物传感器仿真研究

GaN HEMT因具有优异的高灵敏度、快速响应特性、电学特性和生物相容性,其在生物传感领域具有广泛的应用潜力。为提升GaN HEMT生物传感器直接检测生物分子的灵敏度,提出了一种双栅结构分析模型,并使用Silvaco TCAD工具研究了其电学特性。从漏极电流、阈值电压和电势方面分析了单栅和双栅器件的结构特性,比较了其灵敏度。研究表明,在特定生物分子(尿酸酶、链霉亲和素、蛋白质和胆固醇氧化酶)的检测中,双栅GaN HEMT生物传感器的灵敏度分别比单栅器件高1.55%,2.18%,1.07%和3.3%。其中,增加空腔长度可以为生物分子与生物功能化层(AlGaN)的相互作用提供更多的面积,从而使传感器的灵敏度增加。因此,双栅和较大空腔的GaN HEMT生物传感器器件更适用于高灵敏度的应用。

基于Transformer和GAN的多元时间序列异常检测方法

在时序数据分析中,异常检测是最为成熟的应用之一。它在量化交易、网络安全检测、自动驾驶和大型工业设备日常维护等现实领域广泛应用。随着业务组合的复杂性和时序数据量的增加,传统的人工和简单算法方法很难判断异常点。针对上述问题,对现有的检测方法进行了改进,提出了一种基于Transformer和生成式对抗网络(Generative Adversarial Networks,GAN)的时间序列异常检测模型,利用改进后的Transformer对时间序列的空间特征进行提取,并使用基于异常分数的异常检测算法和对抗训练以获得稳定性和准确性。模型采用自监督训练的方式,避免了需要手动标注异常数据的麻烦,同时减少了数据集对于监督模型训练的依赖。通过实验验证,本文提出的基于Transformer的时间序列异常检测模型在准确率上与先进的基于Transformer的模型相当,并且表现优于多元时间序列的大型数据集上的监督训练和传统异常检测方法。因此,该模型在实际应用中具有较好的潜力。

重离子辐射对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管低频噪声特性的影响

采用^(181)Ta^(32+)重离子辐射AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管,获得器件在重离子辐射前后的电学特性和低频噪声特性.重离子辐射导致器件的阈值电压正向漂移、最大饱和电流减小等电学参数的退化.微光显微测试发现辐射后器件热点数量明显增加,引入更多缺陷.随着辐射注量的增加,电流噪声功率谱密度逐渐增大,在注量为1×10^(10)ions/cm^(2)重离子辐射后,缺陷密度增大到3.19×10^(18)cm^(-3)·eV^(-1),不同栅压下的Hooge参数增大.通过漏极电流噪声归一化功率谱密度随偏置电压的变化分析,发现重离子辐射产生的缺陷会导致寄生串联电阻增大.

基于GAN和MS-ResNet的房颤自动检测模型

房颤是一种常见的心律失常疾病,针对现有研究工作大多依赖于单尺度信号段而忽略了不同尺度下潜在的互补信息和数据不平衡问题导致诊断性能下降的问题,提出了一种新颖的基于生成对抗网络(generative adversarial network, GAN)和多尺度残差网络(multiscale residual net, MS-ResNet)的房颤自动检测模型,该网络使用GAN合成具有高形态相似性的单导联心电数据来解决数据的隐私和不平衡问题。同时,设计了MS-ResNet特征提取策略,从不同尺度提取不同大小信号段的特征,从而有效地捕捉P波消失和RR间期不规则特征。该模型联合这两种策略不仅为房颤自动检测生成高质量心电图(electrocardiogram,ECG)数据,还可以利用多尺度网格提取不同波之间的时序特征。在PhysioNet Challenge2017公开ECG数据集上以及平衡后的数据集上评估了MS-ResNet的性能,并将其与现有的房颤分类模型进行了比较。实验结果表明,MS-ResNet在平衡后的数据集上平均F1值和精确率分别达到0.914 1和91.56%,与不平衡数据集相比,F1提高了4.5%,精确率提高了3.5%。

基于GAN的软测量缺失数据生成方法研究

针对工业过程中传感器数据缺失造成软测量模型精度低的问题,提出一种基于生成对抗网络(generative adversarial nets,GAN)的传感器缺失数据生成方法。利用孤立森林算法检测出传感器数据的缺失区域;利用缺失数据属性特征训练条件生成对抗网络(conditional generative adversarial nets,CGAN),在CGAN的输入条件中添加随机序列作为附加信息迭代送入CGAN中生成数据,并借助WGAN-GP(wasserstein generative adversarial nets gradient penalty)成本函数提高网络训练的稳定性;针对缺失区域检测结果引入采样器,将采样的数据填补进缺失区域,形成完整数据集,以提高软测量模型精度。以镍闪速炉温度传感器数据为目标变量进行软测量建模,验证所提出的提高软测量模型精度方法的可行性与有效性。

aLMGAN-信用卡欺诈检测方法

针对信用卡交易数据的不平衡重叠问题,提出一种基于生成对抗网络的端到端一类分类方法。提出一种基于PCA和T_SNE的混合数据降维方法,对清洗后的数据进行特征降维;将降维后的数据送入所提出的基于LSTM和aMLP的生成对抗网络(aLMGAN),提出一种基于闵可夫斯基距离(Minkowski distance)的损失函数(Min-loss)代替原始生成对抗网络中的交叉熵损失函数,对正常交易数据进行单类稳定训练,形成一种特殊特征模式,区分不属于该特征的异常数据。通过使用kaggle上两个真实的公共信用卡交易数据集进行实验,验证了aLMGAN算法的有效性。

基于WGAN和多头注意力机制的学生数据生成模型

对学生的跨学科能力和创新能力进行评价是目前研究的重点和难点。针对学生公开数据稀缺、获取难度大的问题,本文提出了一种基于Wasserstein Generative Adversarial Networks(WGAN)和多头注意力机制的学生数据生成模型。不同于传统生成式对抗网络(Generative Adversarial Networks,GAN),WGAN以Wasserstein距离为目标函数,强化了生成器的稳定性和训练的可收敛性,提高了生成数据的质量。针对WGAN可能出现的收敛速度慢、生成低质量数据的问题,在WGAN的生成器中引入了多头注意力机制,可以更好地捕捉学生数据中的潜在模式和结构,提高生成数据的质量,并采用均值、标准差和中位数对生成数据进行客观评价。实验结果表明,本文方法可以生成较高质量的学生数据。

VHF频段小型化千瓦级GaN功率放大器

为了满足VHF频段对高功率放大器小型化的需求,设计并制备了一款基于05μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的VHF频段小型化千瓦级功率放大器。通过采用多节微带电容网络和高介电常数的印制电路板(PCB)实现了末级功率放大器匹配电路的小型化;以高通滤波器作为级间匹配电路,在减小电路尺寸的同时,提高了链路增益;采用混合集成工艺,实现了电源调制器、前级驱动功率放大器和末级功率放大器等各单元的小型化高密度集成。测试结果表明,在024~030 GHz频带内,该功率放大器的工作电压为50 V,工作脉宽为100μs,在占空比10%、输入功率10 dBm的工作条件下,带内输出功率大于1000 W,功率附加效率约为60%~69%,功率增益大于50 dB,功放体积为46 mm×30 mm×6 mm。

面向空间应用的GaN功率器件及其辐射效应

研究氮化镓(GaN)功率器件及其辐射效应对于解决空间应用需求、促进新一代航天器建设具有重大意义。介绍了GaN功率器件的主要结构及工作原理,综述了近年来国内外在GaN功率器件的总剂量效应和单粒子效应两方面的研究进展,并对辐射效应在GaN功率器件中造成的退化和损伤机制进行分析与讨论。研究结果显示:GaN功率器件具有较强的抗总剂量能力,但是抗单粒子能力较弱,易发生漏电和单粒子烧毁,且烧毁点多发生在栅极边缘的漏侧。对GaN功率器件辐照损伤机理的研究缺乏权威理论,有待进一步探索,为其空间应用提供理论支撑。目前,平面结构的GaN功率器件是主流的技术方案,单片集成及高频小型化是GaN功率器件未来发展的方向。

AlGaN/GaN HEMT器件高温栅偏置应力后栅极泄漏电流机制分析

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅特性会受到温度应力和电应力的影响.在高温栅偏置(HTGB)应力下,器件的栅特性会发生退化,如栅极泄漏电流增大.为了研究退化机理,分析了AlGaN/GaN HEMT在栅电压为-2 V时,250℃高温应力作用后的栅极泄漏电流机制.随着HTGB时间的增加,栅极泄漏电流持续增大,受到应力器件在室温下静置后栅极泄漏电流密度恢复约20%.结果表明,在正向偏置范围内,栅极泄漏电流是由热电子发射(TE)引起的.在反向偏置范围内,普尔-弗伦克尔(PF)发射在小电压范围内占主导地位.阈值电压附近的范围由势垒层中的陷阱辅助隧穿(TAT)引起;在大电压范围内,福勒-诺德海姆(FN)隧穿导致栅极发生泄漏.

大尺寸GaN微波材料范德瓦耳斯外延机理及应力调控研究

本文基于金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,以少层氮化硼(BN)作为插入层在4英寸蓝宝石衬底上开展范德瓦耳斯异质外延GaN微波材料的生长机理及应力调控方面的研究,探讨了AlN成核工艺对GaN缓冲层生长机制的影响,以及与材料晶体质量、应力及电学性能等之间的关联。提出了一种基于AlN/AlGaN复合成核技术的应力调控方案,首次实现了大尺寸范德瓦耳斯(vdW)异质外延材料应力的有效管控,研制的GaN微波材料的弯曲度(Bow)为+20.4μm,(002)/(102)面半峰全宽为471.6/933.5 arcsec,表面均方根粗糙度为0.52 nm,电子迁移率达到2000 cm^(2)/(V·s)。最后,基于机械剥离实现了大尺寸晶圆级GaN微波材料与蓝宝石衬底的分离,为高导热衬底转移提供便利,为大功率射频器件的制作创造条件。

基于GaN纳米薄膜的室温三甲胺气体传感器

三甲胺在实验室和工业生产中被广泛使用,由于其具有毒性和挥发性,开发能够在室温下对其进行检测的传感器尤为重要。采用气喷旋涂和高温氮化的方法制备出GaN纳米薄膜,再利用磁控溅射仪对薄膜的两端溅射覆盖一层金作为电极制作成气体传感器单元并进行了一系列气敏测试。在室温条件下,GaN纳米薄膜传感器对10ppm三甲胺的响应值为2.54,响应/恢复时间分别为41 s和139 s,检测下限为1ppm。传感器在1ppm~50ppm三甲胺浓度范围内也呈现出良好的线性响应,并具有优异的重复性、稳定性和选择性。GaN纳米薄膜传感器的表面堆积覆盖有许多的纳米颗粒,形成的独特结构有利于气体分子的吸附。纳米薄膜表面存在大量的化学吸附氧,使得传感器对三甲胺展现出良好的传感性能。

等离子体增强原子层沉积AlN外延单晶GaN研究

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料,具有较大的禁带宽度,较高的击穿电场强度、电子迁移率、热导系数以及直接带隙等优异特性,被广泛应用于电子器件和光电子器件中。由于与衬底的失配问题,早期工艺制备GaN材料难以获得高质量单晶GaN薄膜。直到采用两步生长法,即先在衬底上低温生长氮化铝(AlN)成核层,再高温生长GaN,才极大地提高了GaN材料的质量。目前用于制备AlN成核层的方法有磁控溅射以及分子束外延等,为了进一步提高GaN晶体质量,本研究提出在两英寸c面蓝宝石衬底上使用等离子体增强原子层沉积(Plasma-enhanced Atomic Layer Deposition,PEALD)方法制备AlN成核层来外延GaN。相比于磁控溅射方法,PEALD方法制备AlN的晶体质量更好;相比于分子束外延方法,PEALD方法的工艺简单、成本低且产量大。沉积AlN的表征结果表明,AlN沉积速率为0.1 nm/cycle,并且AlN薄膜具有随其厚度变化而变化的岛状形貌。外延GaN表征结果表明,当沉积厚度为20.8 nm的AlN时,GaN外延层的表面最平整,均方根粗糙度为0.272 nm,同时具有最好的光学特性以及最低的位错密度。本研究提出了在PEALD制备的AlN上外延单晶GaN的新方法,沉积20.8 nm的AlN有利于外延高质量的GaN薄膜,可以用于制备高电子迁移率晶体管及发光二极管。

0.2~2.0GHz100W超宽带GaN功率放大器

设计并实现了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的100 W超宽带功率放大器。基于SiC无源工艺设计了集成无源器件(IPD)输入预匹配电路芯片;设计了基于陶瓷基片的T型集成输出预匹配电路;基于建立的传输线变压器(TLT)的精确模型,设计了宽带阻抗变换器,在超宽频带内将50Ω的端口阻抗变换至约12.5Ω,再通过多节微带电路与预匹配后的GaN HEMT芯片实现阻抗匹配。最终,以较小的电路尺寸实现了功率放大器的超宽带性能指标。测试结果表明,功率放大器在0.2~2.0 GHz频带内,在漏极电压36 V、输入功率9 W、连续波的工作条件下,输出功率大于103 W,漏极效率大于50%,输入电压驻波比(VSWR)≤2.5。

GaN HEMT栅偏置电压与反向传导电压的解耦合研究

第三代宽禁带氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的反向传导特性由于受到栅极偏置的控制作用,限制了器件在双向DC/DC变换器等场景中的实用化发展。通过采用源极控制p-GaN区域的结构设计,使得部分异质结导电沟道受到源极控制,实现了反向传导电压与栅极偏置电压的解耦合,有效解决了负栅偏压下器件的反向传导特性退化难题。研究表明,当器件p-GaN层上方的源控金属块和栅极金属块长度比值为1∶1时,有利于实现正向与反向传导性能的最佳折中。在150℃高温下,采用新结构设计的GaN HEMT维持了低开启反向传导能力。双脉冲动态开关测试表明,器件具有快速开关能力。器件制备工艺简单,兼容现有的GaN HEMT工艺流程,有望促进GaN功率半导体器件技术在变换器应用领域的实用化发展。

超晶格插入层对InGaN/GaN多量子阱的应变调制作用

在InGaN/GaN异质结构量子阱内存在巨大的压电极化场,这严重地削弱了量子阱的发光效率.为了减弱量子阱内的压电极化场,通常引入应变调制插入层提升器件的发光性能.为了研究InGaN/GaN超晶格的应变调制效果和机理,实验设计制备了具有n型InGaN/GaN超晶格插入层的外延结构及其对照样品.变温光致发光谱测试表明引入n型InGaN/GaN超晶格插入层的样品发光波长更短且内量子效率提升,相应的电致发光谱积分强度也显著增加且半宽减小,说明引入超晶格应变插入层可以在一定程度上抑制影响发光效率的量子限制Stark效应.理论计算结果表明:在生长有源区量子阱前引入超晶格应变层,可以削弱有源区量子阱内极化内建电场,减弱有源区量子阱能带倾斜,增加电子空穴波函数交叠,提高发射几率,缩短辐射复合寿命,有利于辐射复合与非辐射复合的竞争,实现更高的复合效率,从而提高发光强度.本文从实验和理论两方面验证了超晶格应变调制插入层可以有效改善器件性能,为器件的结构设计优化指明方向.

基于PS球自组装技术的GaN纳米柱阵列ICP刻蚀工艺研究

选用蓝宝石衬底上生长的P型氮化镓为材料,通过自组装技术制备的PS球为掩膜,采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀的方法来制备形状规则、周期均匀的纳米结构。在制备过程中,氮化镓纳米结构的形貌受诸多因素的影响,例如胶体球掩膜自组装的形貌,ICP刻蚀所通入的气体类型、气体比例、刻蚀功率源、刻蚀时间等。系统地研究了刻蚀过程中通入的气体类型、气体比例和刻蚀功率源、刻蚀时间对氮化镓纳米结构形貌的影响,并进行调整优化。利用扫描电子显微镜(SEM)对氮化镓进行的形貌分析表明:(1)随着刻蚀功率源和刻蚀时间的增大,掩膜层PS球的尺寸会随之减小使得刻蚀得到的纳米结构直径减小;(2)氮化镓纳米结构的形貌、刻蚀速率受到刻蚀通入的气体类型和比例影响,在Ar和CF_(4)或SF_(6)的组合气体作用下刻蚀速率相对非常缓慢,最高为15 nm/min,而Cl_(2)和BCl_(3)的组合气体作用速率可达到150 nm/min。