11～12 GHz单电源GaN微波功率放大模块研制

嵇妮娅，汤茗凯，唐世军

（南京电子器件研究所，南京 210016）

11～12 GHz单电源GaN微波功率放大模块研制

嵇妮娅，汤茗凯，唐世军

（南京电子器件研究所，南京 210016）

报告了采用凹槽栅场板结构的GaN微波功率HEMT管芯，优化了场板结构和工艺参数，制作了0.8 mm和2.4 mm栅宽的管芯。采用该管芯制作了两级放大的功率模块，该模块匹配电路制作在380 μm厚的Al2O3陶瓷基片上，匹配电容制作在180 μm厚的高介电常数的陶瓷基片上。电感采用25 μm直径的金丝拟合，电路结构采用单电源结构。该模块在11～12 GHz、28 V工作电压下，饱和输出功率达到了8 W，功率增益为12 dB，功率附加效率(PAE)为30%，实现了低电流、高效、高可靠性、可实用的功率模块。该模块是迄今为止采用单电源结构频率最高的GaN功率模块。

氮化镓；高电子迁移率晶体管；功率放大模块

1 引言

GaN HEMT功率模块具有输出功率大、输出功率附加效率高、耐高温等特性，在微波、毫米波领域具有很好的应用潜力，在国内外得到越来越广泛的关注。国内外多篇文章报道了X波段GaN HEMT功率管和功率芯片的进展，功率密度达到了GaAs产品的5～10倍，但采用单电源结构的GaNHEMT功率模块鲜有报道。

本文利用SiC衬底上的GaN异质结材料，成功研制了工作于X波段的GaN HEMT器件，该器件通过结合凹槽栅和场调制板两者的优点，有效抑制了电流崩塌，提高了器件微波功率特性和可靠性，为批量化实用迈出了重要的一步。本文研制的2.4 mm栅宽器件在11～12 GHz、单电源28 V工作电压下，输出功率为8 W，附加效率达到30%，功率增益为12 dB，可进行批量实用化生产。

2 GaN HEMT管芯的研制

图1为本项研制的凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT示意图。器件研制中采用的带GaN帽层AlGaN/GaN异质结材料为金属有机化合物气相淀积技术在半绝缘的SiC衬底外延得到，该材料包括AlN成核层、GaN缓冲层、AlN隔离层、AlGaN势垒层和GaN帽层，各层均未掺杂，AlGaN势垒层中Al摩尔含量为0.25。霍尔测试得到该异质结材料2DEG密度为1.0×1013cm-2，迁移率为 1900 cm2/Vs，非接触式方块电阻测试得到其薄层电阻为300 Ω/□。

图1 凹槽栅场板结构GaN HEMT示意图

GaN HEMT器件工艺中首先是源漏欧姆接触制作，采用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，在870℃、N2气氛进行30 s快速热退火，TLM图形测试的接触电阻为0.4 Ω/mm，与国外同类器件欧姆接触水平相当。器件隔离采用硼离子注入隔离实现，隔离方块电阻大于1011Ω/□。近年来在器件结构上采用场板使得GaN HEMT微波功率特性取得了突破[4]，场板的引入减小了器件栅电极靠漏极一侧电场的峰值强度，有助于器件击穿电压的同时减小栅漏间强电场引起的陷阱效应，从而提高了器件在射频工作时的电流和电压摆幅。但如前所述，场板引入不利的一面是降低器件增益，而凹槽栅可以有效地补偿场板引起的增益下降。为实现图1所示的凹槽栅场板结构GaN HEMT，器件源漏欧姆接触完成后在器件表面上用PECVD淀积一层SiN介质层，并利用湿法或者干法刻蚀工艺分别刻蚀SiN介质层、GaN帽层和AlGaN势垒层来形成凹槽，肖特基势垒接触采用Ni/Au，在漏电极一侧的栅电极延伸到介质层上方形成场板，最后用PECVD再次淀积一层SiN，以实现对器件的保护，电镀Au层对器件各个电极进行加厚并完成空气桥的制作。器件栅电极制作中采用了电子束刻写以减小器件栅长和提高光刻中的对准精度，器件栅长为0.25 μm。

3 功率模块的设计与研制

3.1 功率模块电路拓扑

设计时针对不同频率和功率的具体要求进行拓扑选择，该项目采用两级放大结构，根据GaN HEMT管芯4W/mm的功率密度，我们选取前级栅宽为0.8mm、后级为2.4 mm的GaN HEMT管芯，匹配电路采用Al2O3匹配电路，能够减小电路面积，提高产品的一致性和成品率，图2为电路原理图。单电源结构具有以下特点：如图所示使用了源电阻R3或R7,该电阻为器件提供保护，瞬时的电流电压改变被串联电阻RS吸收，通过RS栅对于源总是置于负电位，因此零栅时的源漏电流过冲现象不复存在。R3或R7的负反馈作用使FET的工作电流趋于稳定，通常情况下工作电流随栅偏压、温度、漏电流的波动而波动，R3或R7的存在使工作电流波动减弱。同时源端电阻电容的并联电路在频率升高时反馈减弱，补偿了增益的下降趋势，在频率降低时反馈增强，减弱了增益的上升趋势，因此使用这种共源电路有效提高了宽带的稳定性。单电源模块的使用也非常简洁，只需一个正电压，省去整机的负电和正负电保护电路，使整机电路更稳定可靠。在电路拓扑选择时还要考虑到奇模振荡、偶模振荡和参量振荡等多种寄生振荡问题，通过去藕电路消除低频振荡，尽量避免形成振荡回路。

图2 电路原理图

3.2 功率模块电路设计

根据电路拓扑建立仿真电路，运用微波CAD设计软件ADS进行电路的仿真和优化。对GaN HEMT管芯进行建立小信号模型和大信号负载牵引（Load Pull）的测试是精确仿真优化的基础。首先我们对研制的栅宽为0.4 mm GaN HEMT进行了在片微波小信号S参数测试，由小信号S参数推导出0.8 mm、2.4 mm GaN HEMT的小信号S参数。通过对栅宽为0.8 mm和2.4 mm GaN HEMT直接进行负载牵引测量，得到其大信号负载阻抗。把以上的S参数和大信号等效阻抗带入电路对功率模块的增益、输入输出驻波、输出功率进行仿真优化，最终确定匹配电路各元件的优选值。图3给出了0.4 mm PCM管芯的负载牵引结果，从图中可以看出，在11.5 GHz附近输出功率达到了32 dBm，功率增益8 dB，附加效率50%。

图3 0.4 mm PCM管芯负载牵引结果

图4 0.4 mm管芯版图

4 功率模块微波电性能

GaN HEMT功率模块采用金属陶瓷封装，外形尺寸为13.2 mm×21 mm×5.5 mm，图5为开盖的实物照片，图6为实测微波电性能。

图5 功率模块的实物照片

可以看出在11～12 GHz内输出功率都大于8 W，功率增益大于12 dB。图6(b)为功率模块输出功率附加效率的频响曲线，频带内输出功率附加效率典型值为30%。功率模块输出功率、功率增益、附加效率完全达到了设计目的和要求。

5 结束语

研制的GaN HEMT功率模块，采用了SiC衬底上的GaN HEMT管芯和GaAs匹配电路，在11～12 GHz内达到输出功率都大于8 W、功率增益大于12 dB、频带内输出功率附加效率大于30%的较好水平，可以广泛应用于雷达和通信领域，此自主研发填补了国内空白，实现了国内领先。

图6 实测微波电性能

本项目是在南京电子器件研究所微波功率器件部全体同事的共同努力下完成的。研制过程中获得钟世昌研究员的有益指导，在此一并感谢。

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嵇妮娅（1981—），女，江苏泰州人，工学学士，工程师，2003年毕业于南京航空航天大学，现为中国电子科技集团公司第五十五研究所工程师，主要研究方向为微波功率放大器的生产与管理。

The Development of an 11～12 GHz GaN Microwave Power Amplifier Module of Single Power Supply

JI Niya,TANG Mingkai,TANG Shijun
（Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China）

An 11～12 GHz power amplifier module of single power supply has been developed.This module is based on 0.8 mm and 2.4 mm GaN HEMTs with optimized field-plate structure and process.All the internal matching circuits are fabricated on Al2O3ceramic substrate of 380 μm thickness,and the matching capacitors are fabricated on high permittivity ceramic of 180 μm thickness.The matching inductors are realized of gold bonding wires of 25 μm diameter.During the frequency band of 11～12 GHz and under 8 V supply voltage,the module can realize 8 W output power,12 dB power gain and 30%power added efficiency(PAE)simultaneously.The measurement results indicated that a low operation current,high efficiency,high reliability and applicable power amplifier module has been realized.As a power module with single power supply,it operatesatthe highestfrequencybandstate ofart.

GaN;HEMT;power amplifiermodule

TN722.7+5

A

1681-1070（2017）11-0036-03

2017-07-31