氮化鎵高電子遷移率晶體管微波特性表征及微波功率放大器研究.pdf

1、無線通信技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)微波功率器件的性能提出了更高的要求。目前，在較低的微波頻段，所用的功率器件主要是Si基LDMOS器件。但是，LDMOS作為放大元件只能用在3GHz頻率以下。而在更高的頻率，具有高電子遷移率的GaAs器件是放大器的首選。但是，GaAs器件功率密度較小，就需要一種材料同時(shí)滿足頻率和功率的要求。所以，基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的微波功率器件成為研究熱點(diǎn)。而氮化鎵及其異質(zhì)結(jié)材料以其寬的禁帶寬度，高的二維電子氣面密度和高的飽和電

2、子速率等，成為寬禁帶器件研究的重點(diǎn)。而AlGaN/GaN HEMT器件被證明為放大器晶體管中一種理想的元器件。
　　 本文就是在此研究背景下對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)微波功率器件的直流特性、小信號(hào)特性和大信號(hào)特性進(jìn)行了分析表征，然后建立了相應(yīng)的小信號(hào)模型和EEHEMT大信號(hào)模型，在負(fù)載牽引基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了GaN微波功率放大器的研制。本文主要研究成果如下：
　　 1.實(shí)現(xiàn)了管芯功率測試系統(tǒng)和封裝測試系統(tǒng)的構(gòu)建。針對(duì)Ga

3、N這種高電壓，大功率的新型半導(dǎo)體器件，在測試系統(tǒng)建立時(shí)候，必須考慮系統(tǒng)所能承受功率、損耗和反射系數(shù)等因素。最終，成功搭建了頻率為1.8GHz～18GHz，功率為20W的管芯測試系統(tǒng)和頻率為0.8GHz～12GHz，承受功率為50W的封裝器件測試系統(tǒng)。
　　 2.氮化鎵微波功率芯片的測試表征。通過對(duì)100um柵寬的氮化鎵功率芯片直流測試，分析解釋了其自熱效應(yīng)、電流崩塌效應(yīng)的原因。詳細(xì)分析了100um柵寬器件小信號(hào)特性與偏置的關(guān)系，

4、以及不同結(jié)構(gòu)器件的小信號(hào)特性。對(duì)10um柵寬器件進(jìn)行了負(fù)載牽引測試和功率掃描測試，得到了器件的阻抗圓圖。在5.5GHz時(shí)，Vgs=-3.6V，Vds=30V連續(xù)波條件下，器件最大增益為20dB，功率密度為8.57W/mm，最大功率附加效率為52.8％。研究分析了不同頻率下以及不同Vds下，器件的輸出功率與增益的變化。測試了大柵寬器件負(fù)載牽引特性，分析了自熱效應(yīng)對(duì)大柵寬器件的最大飽和電流，最大跨導(dǎo)，電流截止頻率，輸出功率和器件的影響，得出

5、了實(shí)際尺寸縮放因子。
　　 3.建立了100um柵寬GaN器件小信號(hào)模型和大信號(hào)EEHEMT模型。確定了器件的19元素小信號(hào)模型。根據(jù)所測器件S參數(shù)，提取出器件的寄生參數(shù)和器件的本征參數(shù)，并且比較了實(shí)測和仿真的S參數(shù)曲線。分析了器件本征參數(shù)隨著柵源電壓或漏源電壓的變化關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，確定了GaN大信號(hào)模型參數(shù)。分別對(duì)跨導(dǎo)曲線，直流轉(zhuǎn)移曲線進(jìn)行擬合，并且比較了模型仿真的直流輸出曲線和實(shí)際測試曲線。通過模型仿真S參數(shù)和實(shí)際測試結(jié)果

6、的對(duì)比，以及實(shí)際測試的功率掃描測試結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比，證明模型擬合較為準(zhǔn)確。
　　 4.研制了基于GaN分離器件的單級(jí)和兩級(jí)微波放大器。在管芯S參數(shù)測試和負(fù)載牽引測試的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成了單管氮化鎵HEMT放大器和兩級(jí)放大器模塊。分析了柵寬為100um和1.5mm器件的電流截止頻率ft，最大振蕩頻率fmax和器件穩(wěn)定因子。完成了兩級(jí)1/4λ匹配和多級(jí)并聯(lián)導(dǎo)納匹配。利用微帶扇形短接線和1/4λ線組成射頻扼流電路，利用RC諧振回路構(gòu)

7、成放大器穩(wěn)定電路，計(jì)算腔體諧振頻率，完成GaN功率模塊的設(shè)計(jì)。經(jīng)過微波大信號(hào)測試，在8GHz，Vds=27V，Vgs=-4V，單級(jí)放大器性能最大線性增益為5.6dB，最大輸出功率為40.25dBm，最大功率附加效率為30.6％。兩級(jí)放大器最大輸出功率為38.9dBm，最大線性增益為8.6dB，功率附加效率為25.6％。
　　 5.利用功率合成技術(shù)，設(shè)計(jì)完成了氮化鎵兩路合成功率模塊和四路合成功率模塊。采用3/4λ枝節(jié)變換器代替?zhèn)鹘y(tǒng)

8、的1/4λ枝節(jié)變換器，完成了二等分和四等分Wilkinson功分器/合成器。在8GHz條件下，其插損小于0.5dB，輸入端口回波損耗大于10dB，輸出端口的回波損耗大于15dB，隔離度大于15dB。在連續(xù)波Vgs=-4V，Vds=27V，8GHz頻率下，兩路合成放大器最大增益為5.6dB，功率附加效率為23.4％，最大輸出功率41.46dBm，模塊合成效率為82.3％。四路合成放大器最大增益為5dB，功率附加效率為17.9％，最大輸出功