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，具有誘人的應用前景，成為國內(nèi)外許多研究機構(gòu)的研究熱點。德國R．Behtash等人制作出X波段GaN MMIC，工作電壓30V，工作頻率10 GHz時，輸出功率為39 Bm(CW)，增益大于10 dB；美國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：輸入級柵寬2．5 mm，輸出級柵寬11．4 mm，漏壓為30 V時，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，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。
國內(nèi)在此領域的研究時間相對較短，受模型、工藝、材料等因素的限制，研究相對較慢。2007年2月，國內(nèi)研制出x波段GaN MMIC，報道脈沖輸出功率大于10 W。
本文使用國產(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)建立器件的大信號模型，將器件的大信號模型內(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)化電路設計，測試結(jié)果顯示當頻率在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％。本研究實現(xiàn)了GaNMMIC從襯底到電路的全部國產(chǎn)化。
1 AIGaN／GaN HEMT研制
采用國產(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，工作電壓達到40．5 V，X波段連續(xù)波輸出功率達到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設計與研制
2．1 AIGaN／GaN HFET大信號模型的建立
精確的非線性器件模型是功率放大器單片設計的關(guān)鍵。目前有關(guān)AIGaN／GaN HEMT的建模技術(shù)并不成熟，無專業(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上采用改進的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l mnl AIGaN／GaN HEMT進行非線性模型的建模，參數(shù)提取包括5步：(1)從脈沖柵電流測量數(shù)據(jù)中提取柵電流參數(shù)和內(nèi)建勢；(2)從改進的Cold FETS參數(shù)測量數(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器件大信號模型參數(shù)，如圖3所示，其中實線為測試數(shù)據(jù)，虛線為仿真數(shù)據(jù)。圖3表明，模型仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合得較好，能真實地反映器件的特性。
2．2 GaN MMIC電路設計
選擇兩級放大的匹配電路結(jié)構(gòu)，第一級輸入匹配為50 Ω，使用兩個總柵寬為lmm的器件。為了提高輸出功率，同時減小電路的總面積，第二級采用一個總柵寬為4 mm的器件，信號分別經(jīng)過功率分配和功率合成后匹配到50Ω輸出。為了滿足信號幅值和相位的對稱性要求，第二級管芯柵、漏壓點嚴格按照對稱性進行設計。
將器件的大信號模型內(nèi)嵌到ADS軟件環(huán)境中，利用ADS系統(tǒng)提供的無源元件進行GaN MMIC結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。在電路設計中，針對電路的性能指標對電阻、電容、電感等匹配元件進行優(yōu)化，改善帶寬特性和帶內(nèi)平坦度。分別進行小信號和大信號優(yōu)化，以改善電路的功率特性。在輸入、輸出端適當增加匹配元件(電容、電感)，保證帶內(nèi)電路的輸入、輸出駐波比。在電路設計注意考慮包括微波測試時的偏置電路以保證測試與設計的對應一致性。在電路優(yōu)化中，重點優(yōu)化電路的輸出功率特性。
2．3 GaN MMIC電路研制
版圖設計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要充分考慮到無源元件之間、無源元件與有源器件之間的互干擾效應，同時對設計的版圖進行仿真分析。版圖驗證采用版圖與原理圖對應、DRC和局部的電磁場分析來提高電路設計的精度。在工藝設計上，考慮設計采用的元器件模型并不成熟，為了簡化器件研制工藝，電阻采用體電阻形式，同時將歐姆接觸引起的電阻加到總的電阻中。有源器件通過注入隔離，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測試與分析
GaN MMIC芯片燒結(jié)在銅載體上，進行微波功率測試。確定偏置條件為：VDS=20V，VGS=一3．6 V，在8．5~10．5 GHz頻率測試連續(xù)波輸出特性，其測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大信號建模，應用到GaN MMIC的設計中，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，首次研制出國產(chǎn)6H-SiC襯底的x波段GaN MMIC，其輸出功率達到國內(nèi)領先水平。
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