提高SiC MESFET功率增益的研究

在高纯半绝缘衬底上采用国产的外延技术和自己开发的器件设计及工艺技术,研制出在S波段连续波输出功率大于10 W、功率增益大于9 dB、功率附加效率不低于35%的性能样管,比研制初期的3～5 dB的功率增益得到了较大幅度的提高,初步显现了SiC器件在S波段连续波大功率、高增益方面的优势。采用亚微米光刻和低欧姆接触形成及减小附加寄生参量,使器件在更大功率输出的情况下,功率增益和功率附加效率得到了明显提升,证明采取的措施是有效的。     

S波段连续波输出功率20W的SiC MESFET

采用自主开发的SiC外延材料和工艺技术,相继实现了S波段连续波状态下输出功率瓦级和10 W的SiC MESFET。经过版图设计的改进和工艺条件的优化,取得了S波段连续波状态下输出功率大于20 W,功率增益大于12 dB,功率附加效率大于30%的SiC MESFET研制结果。器件的功率增益和输出功率较以往的研制结果均得到显著提高,器件的反向截止泄漏电流也大幅度降低。由于器件未采用内匹配结构,其体积也比一般内匹配器件的体积小。研制结果为多胞合成实现更大功率输出的器件创造了条件,也使S波段连续波大功率输出器件的研制水平上了一个新的台阶。     

体积小重量轻的SiC微波脉冲功率晶体管

采用自主开发的工艺加工技术和设计方法,直接将两个微波SiC MESFET管芯在管壳内部进行并联,实现了器件在S波段脉冲状态下(工作频率2GHz,脉冲宽度30μs,占空比10%)输出功率大于30W、功率增益12dB、功率附加效率大于30%的性能指标。由于直接采用管芯并联结构,省略了内匹配网络,器件的体积和重量较以往的Si微波双极功率晶体管大为降低;采用高温氧化技术克服了传统MESFET工艺中PECVD介质产生较高界面态的不足,减小了器件的泄漏电流,提高了器件性能。器件的研制成功,初步显示了SiC微波脉冲功率器件在体积小、重量轻、增益高、脉冲大功率输出和制作工艺简单等方面的优势。     

高性能S波段Si微波脉冲功率晶体管研制

采用等平面自对准工艺技术研制成功的一种高增益、高效率和高可靠的S波段Si微波脉冲功率晶体管,该器件在f0为3.1～3.4 GHz、Vcc=32 V、Pw=500μs、D=10%条件下共基极C类工作,宽带输出功率大于50 W,增益大于7.4 dB,效率大于36%;在Vcc=36 V时,宽带输出功率大于64 W,增益大于8.5 dB,效率大于36%,抗驻波失配能力达到3∶1不烧毁,表现出了良好的微波性能和高的可靠性.     

S波段大功率SiC MESFET的设计与工艺制作

针对SiC功率金属半导体场效应晶体管如何在实现高性能的同时保证器件长期稳定的工作,从金属半导体接触、器件制造过程中的台阶控制、氧化与钝化层的设计及器件背面金属化实现等方面进行了分析;并结合具体工艺,对比给出了部分实验结果。从测试数据看,研制的微波SiC MESFET器件性能由研制初期在S波段瓦级左右的功率输出及较低的功率增益和功率附加效率,达到了在实现大功率输出的条件下,比Si器件高的功率增益和30%以上的功率附加效率,初步体现了SiC MESFET微波功率器件的优势,器件的稳定性也得到了提升,为器件性能和可靠性的进一步提升奠定了设计和工艺基础。     

S波段GaN微波功率器件的研制

简要介绍了第三代新型半导体材料GaN的特点和优势,基于Agilent ADS微波仿真软件设计并实现了一款工作于S波段基于GaN的高效超宽带微波功率器件。测试结果表明,该器件适用于2.7～3.5GHz的超宽带,连续波和脉冲制式均可工作,在饱和状态下,输出功率大于15W,增益达到13dB,漏极效率超过45%,并在管壳内部实现了匹配和偏置电路,对GaN MOSFET微波功率器件小型化、超宽带、高增益和高效率的优异性能得以验证和实现。     

C波段高效率30W功率放大器研制

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)功率器件在电子系统中逐步得到了广泛应用。GaN功率器件具有工作效率高、功率密度大和击穿场强高的特点,非常适合用于大功率、连续波功率放大器设计。基于GaN功率器件大信号模型,采用Microwave Office 2009微波设计软件对功率放大器进行仿真优化,设计并研制出了C波段高效率30 W连续波功率放大器。该放大器功率器件采用了CREE公司C波段GaN HEMT功率器件,实现放大器尺寸为190 mm×50 mm×15 mm,端口阻抗为50Ω。放大器在5 650~5 950 MHz频带内、28 V工作条件下,连续波输出功率大于30 W,增益大于45 dB,效率大于30%。     

S波段脉冲大功率SiC MESFET

采用自主开发的3英寸(75mm)SiC外延技术和SiC MESFET的设计及工艺加工技术,成功地实现了S波段中长脉宽条件下(脉宽300μs,占空比10%),输出功率大于200W,功率增益大于11dB,功率附加效率大于30%的性能样管,脉冲顶降小于0.5dB,实现了大功率输出条件下的较高功率增益和功率附加效率及较小的脉冲顶降,初步显示了SiC功率器件的优势。器件设计采用多胞合成技术,为减小引线电感对功率增益的影响,采用了源引线双边接地技术;为提高器件的工作频率,采用了电子束写栅技术;为提高栅的可靠性,采用了加厚栅金属和国家授权的栅平坦化发明专利技术;同时采用了以金为主体的多层难熔金属化系统,提高了器件的抗电迁徙能力。     

14W X波段AlGaN/GaN HEMT功率MMIC

报道了研制的SiC衬底AIGaN/GaN HEMT微带结构微波功率MMIC,芯片工艺采用凹槽栅场板结构提高AlGaN/GaNHEMTs的微波功率特性.S参数测试结果表明AlGaN/GaN HEMTs的频率特性随器件的工作电压变化显著.研制的该2级功率MMIC在9～11GHz带内30V工作,输出功率大于10W,功率增益大于12dB,带内峰值输出功率达到14.7W,功率增益为13.7dB,功率附加效率为23%,该芯片尺寸仅为2.0mm×1.1mm.与已发表的X波段AlGaN/GaN HEMT功率MMIC研制结果相比,本项工作在单位毫米栅宽输出功率和芯片单位面积输出功率方面具有优势.     

14W X波段AlGaN/GaN HEMT功率MMIC

报道了研制的SiC衬底AIGaN/GaN HEMT微带结构微波功率MMIC,芯片工艺采用凹槽栅场板结构提高AlGaN/GaNHEMTs的微波功率特性.S参数测试结果表明AlGaN/GaN HEMTs的频率特性随器件的工作电压变化显著.研制的该2级功率MMIC在9～11GHz带内30V工作,输出功率大于10W,功率增益大于12dB,带内峰值输出功率达到14.7W,功率增益为13.7dB,功率附加效率为23%,该芯片尺寸仅为2.0mm×1.1mm.与已发表的X波段AlGaN/GaN HEMT功率MMIC研制结果相比,本项工作在单位毫米栅宽输出功率和芯片单位面积输出功率方面具有优势.     

Millimeter-wave high-power 0.25-/spl mu/m gate-length AlGaN/GaN HEMTs on SiC substrates

Reports on the CW power performance at 20 and 30 GHz of 0.25 /spl mu/m /spl times/ 100 /spl mu/m AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) grown by MOCVD on semi-insulating SiC substrates. The devices exhibited current density of 1300 mA/mm, peak dc extrinsic transconductance of 275 mS/mm, unity current gain cutoff (f/sub T/) of 65 GHz, and maximum frequency of oscillation (f/sub max/) of 110 GHz. Saturated output power at 20 GHz was 6.4 W/mm with 16% power added efficiency (PAE), and output power at 1-dB compression at 30 GHz was 4.0 W/mm with 20% PAE. This is the highest power reported for 0.25-/spl mu/m gate-length devices at 20 GHz, and the 30 GHz results represent the highest frequency power data published to date on GaN-based devices.     

SiC电力电子器件对电力系统的影响

宽禁带SiC材料被认为是高性能电力电子器件的理想材料,比较了Si和SiC材料的电力电子器件在击穿电场强度、稳定性和开关速度等方面的区别,着重分析了以SiC器件为功率开关的电力电子装置对电力系统中柔性交流输电系统(FACTS)、高压直流输电(HVDC)装置、新能源技术和微电网技术领域的影响。分析表明,SiC电力电子器件具有耐高压、耐高温、开关频率高、损耗小、动态性能优良等特点,在较高电压等级(高于3 kV)或对电力电子装置性能有更高要求的场合,具有良好的应用前景。     

X波段大栅宽高输出功率AlGaN/GaN HEMT的研究

利用MOCVD技术研制了国产SiC衬底的GaN HEMT外延材料,方块电阻小于260 Ω/□,迁移率最大值达到2 130 cm2V-1s-1,方块电阻和迁移率不均匀性小于3%,采用新的器件栅结构和高应力SiN钝化技术,降低了大栅宽器件栅泄漏电流,提高了工作电压.研制的总栅宽为25.3 mm的四胞内匹配器件X波段输出功率达到141.25 W,线性增益大于12 dB,PAE达到41.4%.     

基于76.2 mm圆片工艺的GaN HEMT可靠性评估

报道了利用76.2 mm圆片工艺实现了SiC衬底GaN HEMT微波功率管的研制,并对其进行了多项试验以评估其可靠性.器件工艺中通过引入难熔金属作器件肖特基势垒,有效提高了GaN HEMT器件肖特基势垒的热稳定性,经过500℃高温处理30 s后器件肖特基特性依然保持稳定.随后的高温工作寿命试验表明,该GaNHEMT能够...     

基于GaN HEMT的13～17 GHz收发多功能芯片

基于GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺设计制作了一款收发(T/R)多功能芯片(MFC),主要用于射频前端收发系统.该芯片集成了单刀双掷(SPDT)开关用于选择接收通道或发射通道工作,芯片具有低噪声性能、高饱和输出功率和高功率附加效率等特点.芯片接收通道的LNA采用四级放大、单电源供电、电流复用结构,发射通道的功率放大器采用三级放大、末级四胞功率合成结构,选通SPDT开关采用两个并联器件完成.采用微波在片测试系统完成该芯片测试,测试结果表明,在13～ 17 GHz频段内,发射通道功率增益大于17.5 dB,输出功率大于12W,功率附加效率大于27％.接收通道小信号增益大于24 dB,噪声系数小于2.7 dB,1 dB压缩点输出功率大于9 dBm,输入/输出电压驻波比小于1.8∶1,芯片尺寸为3.70 mm×3.55 mm.     

SiC宽禁带功率器件在雷达发射机中的应用分析

介绍了SiC宽禁带半导体材料的特性,通过与Si和GaAs半导体相比较,该材料在击穿电场强度、截止频率、热传导率、抗辐射能力、结温和热稳定性等方面具有显著优点。SiC宽禁带功率器件,尤其在输出功率、功率密度、工作频率、工作带宽、环境适应性和总效率等方面具有卓越的性能,在雷达发射机中有良好的应用前景。文章还详细论述了现代雷达对SiC功率器件的具体指标要求。     

A 1-MHz hard-switched silicon carbide DC-DC converter

Silicon Carbide (SiC) is a wide bandgap semiconductor material that offers performance improvements over Si for power semiconductors with accompanying benefits for power electronics applications that use these semiconductors. The wide bandgap of SiC results in higher junction forward voltage drops, so SiC is best suited for majority carrier devices such as field effect transistors (FETs) and Schottky diodes. The wide bandgap of SiC results in it having a high breakdown electric field, which in turn results in lower resistivity and narrower drift regions in power devices. This dramatically lowers the resistance of the drift region and means that SiC devices with substantially less area than their corresponding Si devices can be used. The lower device area reduces the capacitance of the devices enabling higher frequency operation. Here, the results from a 1-MHz hard-switched dc-dc converter employing SiC JFETs and Schottky diodes will be presented. This converter was designed to convert 270Vdc to 42Vdc such as may be needed in future electric cars. The results provide the performance obtained at 1MHz and demonstrate the feasibility of a hard-switched dc-dc converter operating at this frequency.