SiC襯底X波段GaN MMIC的研究

時(shí)間：2009-04-16 08:35:40

關(guān)鍵字： GAN 波段 SIC BSP

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[導(dǎo)讀]使用國(guó)產(chǎn)6H—SiC襯底的GaN HEMT外延材料研制出高工作電壓、高輸出功率的A1GaN／GaN HEMT。利用ICCAP軟件建立器件大信號(hào)模型，利用ADS軟件仿真優(yōu)化了雙級(jí)GaNMMIC，研制出具有通孔結(jié)構(gòu)的GaN MMIC芯片，連續(xù)波測(cè)試顯示，頻率為9．1～10．1 GHz時(shí)連續(xù)波輸出功率大于10W，帶內(nèi)增益大于12 dB，增益平坦度為±0．2 dB。該功率單片為第一個(gè)采用國(guó)產(chǎn)SiC襯底的GaN MMIC。

0 引言
    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(diǎn)，具有誘人的應(yīng)用前景，成為國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。德國(guó)R．Behtash等人制作出X波段GaN MMIC，工作電壓30V，工作頻率10 GHz時(shí)，輸出功率為39 Bm(CW)，增益大于10 dB；美國(guó)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(jí)：輸入級(jí)柵寬2．5 mm，輸出級(jí)柵寬11．4 mm，漏壓為30 V時(shí)，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(shí)，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(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的研究時(shí)間相對(duì)較短，受模型、工藝、材料等因素的限制，研究相對(duì)較慢。2007年2月，國(guó)內(nèi)研制出x波段GaN MMIC，報(bào)道脈沖輸出功率大于10 W。
    本文使用國(guó)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(hào)模型，將器件的大信號(hào)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(jì)，測(cè)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(dá)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(shí)現(xiàn)了GaNMMIC從襯底到電路的全部國(guó)產(chǎn)化。

1 AIGaN／GaN HEMT研制
采用國(guó)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(jìn)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(dá)到40．5 V，X波段連續(xù)波輸出功率達(dá)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(jì)與研制
2．1 AIGaN／GaN HFET大信號(hào)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(jì)的關(guān)鍵。目前有關(guān)AIGaN／GaN HEMT的建模技術(shù)并不成熟，無(wú)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(jìn)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(duì)l mnl AIGaN／GaN HEMT進(jìn)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(cè)量數(shù)據(jù)中提取柵電流參數(shù)和內(nèi)建勢(shì)；(2)從改進(jìn)的Cold FETS參數(shù)測(cè)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(cè)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(cè)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(hào)模型參數(shù)，如圖3所示，其中實(shí)線為測(cè)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(cè)試結(jié)果吻合得較好，能真實(shí)地反映器件的特性。

2．2 GaN MMIC電路設(shè)計(jì)
選擇兩級(jí)放大的匹配電路結(jié)構(gòu)，第一級(jí)輸入匹配為50 Ω，使用兩個(gè)總柵寬為lmm的器件。為了提高輸出功率，同時(shí)減小電路的總面積，第二級(jí)采用一個(gè)總柵寬為4 mm的器件，信號(hào)分別經(jīng)過(guò)功率分配和功率合成后匹配到50Ω輸出。為了滿足信號(hào)幅值和相位的對(duì)稱性要求，第二級(jí)管芯柵、漏壓點(diǎn)嚴(yán)格按照對(duì)稱性進(jìn)行設(shè)計(jì)。
將器件的大信號(hào)模型內(nèi)嵌到ADS軟件環(huán)境中，利用ADS系統(tǒng)提供的無(wú)源元件進(jìn)行GaN MMIC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。在電路設(shè)計(jì)中，針對(duì)電路的性能指標(biāo)對(duì)電阻、電容、電感等匹配元件進(jìn)行優(yōu)化，改善帶寬特性和帶內(nèi)平坦度。分別進(jìn)行小信號(hào)和大信號(hào)優(yōu)化，以改善電路的功率特性。在輸入、輸出端適當(dāng)增加匹配元件(電容、電感)，保證帶內(nèi)電路的輸入、輸出駐波比。在電路設(shè)計(jì)注意考慮包括微波測(cè)試時(shí)的偏置電路以保證測(cè)試與設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)一致性。在電路優(yōu)化中，重點(diǎn)優(yōu)化電路的輸出功率特性。

2．3 GaN MMIC電路研制
版圖設(shè)計(jì)中主要考慮版圖的布局及工藝的兼容性，微帶線間的距離宜大于兩倍基片的厚度，以減小傳輸線間的耦合。在盡量縮小芯片面積的同時(shí)要充分考慮到無(wú)源元件之間、無(wú)源元件與有源器件之間的互干擾效應(yīng)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的版圖進(jìn)行仿真分析。版圖驗(yàn)證采用版圖與原理圖對(duì)應(yīng)、DRC和局部的電磁場(chǎng)分析來(lái)提高電路設(shè)計(jì)的精度。在工藝設(shè)計(jì)上，考慮設(shè)計(jì)采用的元器件模型并不成熟，為了簡(jiǎn)化器件研制工藝，電阻采用體電阻形式，同時(shí)將歐姆接觸引起的電阻加到總的電阻中。有源器件通過(guò)注入隔離，為防止SiN針孔引起擊穿，200 nmSiN分兩次淀積完成，襯底減薄到100 μm，器件全部工藝完成后，得到的MMIC照片如圖5所示。

3 GaN MMIC測(cè)試與分析
GaN MMIC芯片燒結(jié)在銅載體上，進(jìn)行微波功率測(cè)試。確定偏置條件為：VDS=20V，VGS=一3．6 V，在8．5~10．5 GHz頻率測(cè)試連續(xù)波輸出特性，其測(cè)試的微波輸出功率特性曲線如圖6所示，頻率為9．1～10．1 GHz，輸出功率大于40 dBm，增益大于12 dB，JPAE大于30％，增益平坦度±0．2 dB，最大輸出功率為11．04 W。

4 結(jié)論
本文采用國(guó)內(nèi)研制的6H-SiC襯底，自主研制高輸出功率GaN MMIC。采用GaAs功率器件的Materka模型提取的A1GaN／GaN HEMT大信號(hào)建模，應(yīng)用到GaN MMIC的設(shè)計(jì)中，得到較好的研究結(jié)果。利用混合套刻工藝研制出電路芯片，連續(xù)波在9．1~10．1 GHz內(nèi)，輸出功率大于lO W，首次研制出國(guó)產(chǎn)6H-SiC襯底的x波段GaN MMIC，其輸出功率達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。