x波段ganmmic功率放大器研制

x波段ganmmic功率放大器研制

0x波长gan功率放大器目前，tr组件的功率套筒为gaas芯片，工作压低，工作电流大。当矩阵应用时，对电源和电源的要求非常严格。GaN功率芯片效率和工作电压都比较高,工作温度很高,抗干扰能力强,相对GaAs芯片具有很多优点,克服了GaAs功率芯片的问题,可以有效推动TR组件技术的发展。鉴于宽禁带半导体器件在军事应用上的重要性,西方发达国家均投入大量人力、物力、财力到宽禁带半导体微波功率器件及电路研究之中。2006年德国FBH研究所H.Klockenhoff等人研制成功X波段16WGaN基单片微波集成电路(monolithicmicrowaveintegratedcircuit,MMIC)功率放大器,线性增益为18dB,功率附加效率为30%。法国的UMS公司2008年报道了GaNMMIC8.5～9.5GHz范围内功率大于30W,功率附加效率为33%,9.0GHz最大输出功率大于58W。2010年报道了GaNMMIC8.5～10.5GHz范围内功率大于35W,功率附加效率为38%,10.5GHz最大输出功率大于43W,功率附加效率为52%(测试条件:脉宽为20μs;占空比为10%)。Cree公司已有GaNMMIC产品CMPA2560025F对外公开,2.5～6GHz范围内功率大于25W。Triquent公司在2001年推出的X波段GaN器件达到0.7W/mm,2004年3英寸(1英寸=25.4mm)衬底材料得到广泛应用,目前,Triquent和Cree等大公司已经宣布对外开放成熟的加工线。本文介绍了基于自主外延材料和工艺的X波段GaNMMIC功率放大器的研制。在突破衬底外延及电路制作工艺的基础上,研制成功X波段GaNMMIC,电路在8.7～10.9GHz频率范围内输出功率大于42.05dBm,功率增益大于14dB,增益波动小于0.4dB,输入驻波比小于2∶1,功率附加效率大于40%,带内效率最高达到52%。1电路设计1.1功率增益及电路拓扑电路的设计过程包括:电路拓扑结构设计;有源器件设计;元器件建模;电路性能参数的优化;电路版图的设计。X波段大功率单片放大器电路设计需考虑的问题包括:工作带宽满足要求;工作频带内功率输出最佳;功率增益满足要求;功率附加效率尽量高;输入、输出驻波比尽量小。设计过程如下所述。首先根据电路的增益要求确定放大器的级数,一般采用查阅资料、工作原理分析、工艺流片和电路优化相结合的综合方法确定,最终确定该芯片电路采用两级放大。再根据放大器工作频带、带宽、驻波、增益平坦度等指标确定每级电路拓扑结构。最终确定该芯片电路前级采用有耗匹配结构获得平坦的增益,既增加了电路的带内稳定性又可兼顾输入驻波,电路末级采用功率分配与功率合成的拓扑形式满足大功率的输出要求。电路拓扑见图1。1.2器件的工艺可实现度分析有源器件是MMIC芯片的核心部分,要针对电路的具体要求进行设计,设计参数包括总栅宽等。器件设计需要考虑3个方面的问题:有源器件的主要技术指标能否满足放大器指标要求;有源器件芯片尺寸的大小;器件的工艺可实现度。器件设计过程如下所述。首先,根据放大器输出功率、器件增益等性能指标计算各级电路中器件总栅宽,再根据放大器输出效率确定电路工作状态,根据工作状态确定电路工作点。该GaNMMIC电路前级采用2mm器件,末级采用4mm器件满足增益和输出功率要求。1.3电路参数优化方法完成电路拓扑结构及有源器件设计之后,通过工艺流片得到电路中采用的元器件,开展建模研究。通过直流、微波参数测试得到元器件直流、微波参数,再通过建模软件最终得到准确的元器件模型。在完成上述步骤后,采用先进的微波CAD设计软件,根据电路具体电性能要求,对所设计的各种微波单片集成电路的性能进行优化设计。电路性能参数的优化采用了ADS电路设计软件,电路参数优化过程如下所述。首先要得到器件模型库,再把模型库嵌入到ADS软件中与软件自带的模型库相结合,最后利用ADS软件的各类仿真功能对电路的大、小信号输出特性进行优化,以满足频段、效率、功率、增益等指标要求。为提高优化速度,电路优化时应先对集总元件进行优化,再对分布参量进行优化。因在电路工艺加工过程中存在容差,应对关键控制参数进行统计灵敏度分析以提高成品率。微波CAD优化时,需要考虑输入与输出引线对电路性能参数的影响。为保证单片电路工作在所需的频带内,需将频带宽度拓宽为8.5～11GHz。通过采用上述方法,最终完成电路性能参数的优化。最终优化结果表明,电路输出功率大于16W,效率大于35%,优化结果见图2及图3。1.4面板设计与验证完成电路性能参数优化后,开展电路版图设计工作。主要采用电磁仿真和实验验证的方法,对版图布局进行设计与优化,以获得较佳的电性能和较小的芯片尺寸。在版图设计中需要考虑的问题包括:热电效应;带线与带线之间、带线与器件之间的互干扰效应;版图与流片工艺的兼容性;版图中元件的功率容量。在充分考虑上述问题的基础上,尽量减小芯片面积,最终完成版图的初步设计。完成版图初步设计后,对版图进行了验证。采用了版图与原理图结合进行设计规划检验(designrulescheck,DRC)和局部电磁场分析的方法,保证了电路设计精度。图4是用于X波段功率单片设计结果验证的电磁场仿真版图。2器件工艺设计采用标准工艺进行了电路制作,采用国产的高纯SiC衬底,使用MOCVD外延设备自主研制了GaN外延材料,外延层由GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层构成,二维电子气面密度、迁移率进行了优化满足电路性能要求。采用的主要制备工艺包括:台面隔离,采用干法刻蚀;欧姆接触金属制备,采用电子束蒸发欧姆接触金属,并进行高温合金;栅以及栅场板制备,采用淀积制备栅场板的氮化硅介质层,采用电子束蒸发台蒸发剥离制备栅以及栅场板金属;源场板制备,采用淀积制备源场板的氮化硅介质层,采用电子束蒸发工艺制备源场板金属;金属互联、加厚;钝化;背面衬底减薄以及通孔刻蚀、背面金属化等工艺。器件采用SiN进行钝化保护,同时形成电路中的MIM电容,准确制作NiCr电阻,SiC衬底制作通孔,芯片背面和孔内进行电镀Au实现电路接地。制作的芯片照片如图5所示。版图设计中包含有源器件,钝化前后进行了器件直流性能对比测试,在源场板完成之后进行了LOAD-PULL测试。3小信号测试测试自行设计了测试载体,采用烧结、键合等工艺将芯片装配到测试夹具上进行微波测试,输出功率、效率及功率增益数据如表1所示,测试条件为Pin=28dBm,Vds=24V,Vgs=-3.5V,脉宽100μs,占空比10%,在8.7～10.9GHz频率范围内,单片性能达到输出功率Pout大于16W,功率附加效率PAE大于40%,9.3GHz功率附加效率PAE最高达52%,功率增益G大于14dB,增益波动小于0.4dB,利用失量网络分析仪进行了小信号测试,测试结果如图6及图7所示,输入驻波比SWR小于2∶1,小信号增益S21≥20dB。4小信号测试结果基于国产SiC衬底及自主研发的外延生产材料,突破一系列关键工艺技术,制作成功X波段GaNMMIC功率放大器,电路测试结果与理论设计性能基本符合,测试条件为脉宽100μs、占空比10%,在8.7～1