GaN基HEMT器件的优化设计

针对氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件自热效应以及电流崩塌效应导致器件性能退化和失效的问题,研究了通过合理改变器件参数尺寸优化GaN基HEMT器件的设计,提高器件性能。通过仿真软件模拟了器件各参数对于GaN器件电学性能的影响,分析了不同衬底构成对GaN HEMT器件自热效应的影响,系统研究了GaN HEMT器件相关参数改变对自热效应及器件电学性能的影响。结果表明:Si及金刚石组成的衬底中减小Si层的厚度有利于减小器件的自热效应,降低有源区最高温度。为提高器件性能以及进一步优化GaN基HEMT器件设计提供了一定的理论参考。     

一种鱼骨型GaN HEMT分布式模型

基于传输线理论,推导了GaN HEMT沟道分布式等效电路模型,为有效提取GaN HEMT小信号模型参数提供了依据。设计了一种新颖的鱼骨型GaN HEMT器件结构,由于采用了较短的栅指,非常有利于纵向散热,与常规型HEMT器件结构相比,热阻有了明显改善,但也增加了建模的复杂度。采用分布式建模技术,为鱼骨型器件建立了一种分布式等效电路模型,模型在1~20 GHz内与实测S参数吻合较好,表明分布式建模技术可以用于准确地模拟鱼骨型GaN HEMT器件的高频特性。     

GaN基HEMT器件的优化设计北大核心CSCD

针对氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件自热效应以及电流崩塌效应导致器件性能退化和失效的问题,研究了通过合理改变器件参数尺寸优化GaN基HEMT器件的设计,提高器件性能。通过仿真软件模拟了器件各参数对于GaN器件电学性能的影响,分析了不同衬底构成对GaN HEMT器件自热效应的影响,系统研究了GaN HEMT器件相关参数改变对自热效应及器件电学性能的影响。结果表明:Si及金刚石组成的衬底中减小Si层的厚度有利于减小器件的自热效应,降低有源区最高温度。为提高器件性能以及进一步优化GaN基HEMT器件设计提供了一定的理论参考。     

C波段大功率GaN HEMT内匹配器件

基于GaN微波功率器件工艺制作了大栅宽GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)管芯,通过负载牵引及建模技术提取了管芯的输入阻抗、输出阻抗.采用二项式多节阻抗匹配变换器实现了宽带功率分配器及合成器电路的制作,通过采用LC网络提升了管芯输入阻抗、输出阻抗,加入了稳定网络,实现了50 Ω阻抗匹配.采用高热导率金属陶瓷外壳,提高了器件散热能力.最终研制成功大功率GaN HEMT内匹配器件,器件采用四胞管芯功率合成技术,总栅宽为40 mm.测试结果表明,频率为4.5～4.8 GHz,脉宽300μs,占空比10％,工作电压VDSs为28 V,器件的输出功率大于120 W,功率附加效率大于50％,功率增益大于11 dB.     

一种新颖的HEMT小信号模型参数直接提取方法

建立了一套完整的直接提取高电子迁移率器件(HEMT)小信号模型等效电路参数的新方法。采用Open去嵌图形对器件寄生电容进行近似提取,避免了ColdFET方法提取的寄生参数为负值的现象;通过Yong Long方法对寄生源电阻进行提取,减少了模型参数提取复杂度。与其它文献报道的小信号模型参数提取方法相比,该方法物理意义简明清晰,提取速度快,并且对新材料、新器件结构有较强的实用性。     

S波段大功率、高效率GaN HEMT器件研究

基于国产的SiC衬底GaN外延材料,研制出大栅宽GaN HEMT单胞管芯。通过使用源牵引和负载牵引技术仿真出所设计模型器件的输入输出阻抗,推导出本器件所用管芯的输入输出阻抗。使用多节λ/4阻抗变换线设计了宽带Wilkinson功率分配/合成器,对原理图进行仿真,优化匹配网络的S参数,对生成版图进行电磁场仿真,通过LC T型网络提升管芯输入输出阻抗。采用内匹配技术,成功研制出铜-钼-铜结构热沉封装的四胞内匹配GaN HEMT。在频率为2.7～3.5 GHz、脉宽为3 ms、占空比为50%、栅源电压Vgs为-3 V和漏源电压Vds为28 V下测试器件,得到最大输出功率Pout大于100 W(50 dBm),PAE大于47%,功率增益大于13 dB。     

栅槽刻蚀工艺对增强型GaN HEMT器件性能的影响

基于凹槽栅增强型氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)研究了不同的栅槽刻蚀工艺对GaN器件性能的影响。在栅槽刻蚀方面,采用了一种感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术与高温热氧化湿法刻蚀技术相结合的两步法刻蚀技术,将AlGaN势垒层全部刻蚀掉,制备出了阈值电压超过3 V的增强型Al_2O_3/AlGaN/GaN MIS-HEMT器件。相比于传统的ICP干法刻蚀技术,两步法是一种低损伤的自停止刻蚀技术,易于控制且具有高度可重复性,能够获得更高质量的刻蚀界面,所制备的器件增强型GaN MIS-HEMT器件具有阈值电压回滞小、电流开关比(I_ON/I_OFF)高、栅极泄漏电流小、击穿电压高等特性。     

基于GaN HEMT器件的P波段小型化40 W发射模块

氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)器件具有高功率和功率密度、高导热率、高击穿场强、宽工作频带等特点,适合小型化、宽频带、大功率应用.基于GaN功率器件的特点研制了P波段宽带小型化40 W发射模块.通过负载牵引技术对GaN HEMT器件进行了大信号参数的提取,运用ADS软件进行了匹配电路的设计,对功率放大器的性能指标进行了优化,并基于LTC4440和nMOS器件设计了高压脉冲调制电路.研制结果表明,该模块在400 MHz工作带宽内(相对带宽100％)的输出功率为46.6 dBm (45.7 W),功率增益为36.6 dB,功率附加效率(PAE)为40.4％,杂波抑制为65.7 dBc,脉冲项降为0.4 dB,脉冲上升时间为75 ns,脉冲下降时间为50 ns,模块尺寸为50 mm×40 mm×20 mm.     

一种基于ASM-HEMT模型改进陷阱效应的GaN HEMT器件非线性模型

GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件受制于陷阱效应,建立准确的非线性模型非常困难。介绍了表面势物理基高电子迁移率高级电路模型(ASM-HEMT),分析了标准ASM-HEMT模型在表征陷阱效应方面的不足,进而建立了新的陷阱模型电路拓扑及模型方程,新陷阱模型可以更好地表征器件陷阱俘获和释放电子的不对称性。基于0.25μm GaN HEMT器件,进行了脉冲I-V、多偏置S参数、负载牵引仿真及测试,并对新模型进行参数提取和建模。经过对比仿真和测试结果发现,新模型的仿真结果与实测结果比标准ASM-HEMT模型更加吻合,说明新模型表征陷阱效应更加准确,提升了模型的准确性,进而提高GaN HEMT功率放大器设计仿真的准确性。     

微波、毫米波GaN HEMT与MMIC的新进展

综述了近几年微波、毫米波氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)与单片微波集成电路(MMIC)在高效率、宽频带、高功率和先进热管理等方面的应用创新进展.介绍了基于GaN HEMT器件所具有的高功率密度和高击穿电压,采用波形工程原理设计的各类开关模式的高效率功率放大器,以及基于GaN HEMT器件的高功率密度、高阻抗的特点与先进的宽带拓扑电路和功率合成技术相结合的宽频带和高功率放大器.详细介绍了微波高端和毫米波段的高效率、宽频带和高功率放大器,多功能电路和多功能集成的GaN MMIC.最后阐述了由于GaN HEMT的功率密度是其他半导体器件的数倍,其先进热管理的创新研究也成为热点.     

X波段GaN MMIC低噪声放大器设计

采用SiC衬底0.25 μm AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,研制了一款X波段GaN单片微波集成电路(MMIC)低噪声放大器(LNA).放大器采用三级级联拓扑,第一级采用源极电感匹配,在确保良好的输入回波损耗的同时优化放大器噪声系数;第三级采用电阻电容串联负反馈匹配,在尽量降低噪声系数的前提下,保证良好的增益平坦度、输出端口回波损耗以及输出功率.在片测试表明,在10 V漏级电压、-2 V栅极电压偏置下,放大器静态电流为60 mA,8～12 GHz内增益为22.5 dB,增益平坦度为±1.2 dB,输入输出回波损耗均优于-11 dB,噪声系数小于1.55 dB,1 dB增益压缩点输出功率大于11.9 dBm,其芯片尺寸为2.2 mm×1.1 mm.装配测试表明,噪声系数典型值小于1.6 dB,可承受33 dBm连续波输入功率.该X波段GaN低噪声放大器与高功率放大器工艺兼容,可以实现多功能集成,具有广阔的工程应用前景.     

基于GaN HEMT的高线性星载Doherty功率放大器设计北大核心CSCD

在射频通信链路中,功率放大器决定了发射通道的线性、效率等关键指标。卫星通信由于是电池供电,对功率放大器的工作效率要求比较高。文章基于GaN HEMT晶体管采用对称设计完成了一款高效率的Doherty功率放大器。测试结果表明:该Doherty功放的功率增益大于29 dB;1 dB压缩点功率(P_(1 dB))大于35 dBm;在35 dBm输出时,其功率附加效率(PAE)大于47.5%,三阶交调失真(IMD3)大于35 dBc;在功率回退3 dB时,其PAE大于37%,IMD3大于32 dBc。     

非掺杂AlGaN/GaN微波功率HEMT

报道了研制的Al Ga N / Ga N微波功率HEMT,该器件采用以蓝宝石为衬底的非掺杂Al Ga N/ Ga N异质结构,器件工艺采用了Ti/ Al/ Ni/ Au欧姆接触和Ni/ Au肖特基势垒接触以及Si N介质进行器件的钝化.研制的2 0 0μm栅宽T型布局Al Ga N / Ga N HEMT在1.8GHz,Vds=30 V时输出功率为2 8.93d Bm,输出功率密度达到3.9W/mm ,功率增益为15 .5 9d B,功率附加效率(PAE)为4 8.3% .在6 .2 GHz,Vds=2 5 V时该器件输出功率为2 7.0 6 d Bm ,输出功率密度为2 .5 W/ mm ,功率增益为10 .2 4 d B,PAE为35 .2 % .     

C波段160W连续波GaN HEMT内匹配功率器件研制

基于GaN功率器件工艺自主研发的大栅宽GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)管芯,采用内匹配技术和宽带功率合成技术相结合的方法,研制出了一款C波段160 W连续波GaN HEMT内匹配功率器件。通过优化管芯的结构,设计出了满足连续波使用要求的大功率GaN管芯,然后进行了内匹配器件的设计,在设计中首先采用负载牵引法进行了器件参数提取,并以此为基础设计了阻抗变换网络进行阻抗变换和功率合成。研制出了工作频率为4.4~5.0 GHz、工作电压32 V、连续波输出功率大于160 W、功率附加效率大于50%、功率增益大于12 dB的GaN HEMT内匹配功率管,具有广阔的工程应用前景。     

基于GaN HEMT的X波段连续波内匹配功率管设计

采用内匹配技术,使用两枚GaN HEMT 晶体管,在X 波段8.0~8.5 GHz 频段内,设计并实现了一种高可靠性、高功率附加效率的功率放大器。基于南京电子器件研究所提供的晶体管及负载牵引数据,并结合“L-C-L”匹配网络以及威尔金森功率分配/ 合成器,对晶体管的输入和输出阻抗进行了相应匹配,使得其端口阻抗均为50 Ω。最终通过两胞合成的方式实现了在目标频段内,栅电压-2.2 V、漏电压24 V,连续波工作状态下,所设计功率放大器输出功率高于20 W、功率增益大于10 dB、功率的附加效率大于49.7%。其中,在8.1~8.4 GHz,该功率放大器功率附加效率超过52%,优于我国现有相近频段内匹配功率放大器的功率附加效率,并通过实验验证了该设计方案的可靠性。     

一种新的HEMT小信号模型参数提取方法

介绍了一种高电子迁移率晶体管(HEMT)的小信号参数提取方法——综合多偏置点优化参数提取法。该文首先推导并提出了器件的模型、确定外部参数和内部参数，其次介绍了多偏置点优化算法。最后，以PHEMT器件为例进行鲁棒性和精确性测试，实验采用一系列随机起始值，结果表明，提取的参数值与经验值相差小于1％。     

一种AlGaN/GaN HEMT非线性器件模型参数提取的方法

该文提出一种新的绝对误差函数,应用该函数进行非线性模型参数提取可以避免计算误差,显著降低参数提取的不准确性。由于氮化物半导体器件,尤其是AlGaN/GaN HEMT器件已经开始得到广泛应用,其模型和参数对射频和电力电子器件和电路设计至关重要,分别使用3种误差函数对 AlGaN/GaN HEMT器件模型进行了参数提取并对比,对比结果表明该文提出的误差函数更加精确和有效。同时为今后的电子器件的模型参数提取提供了一种有效且精确的方法。