K 波段GaN 大功率开关芯片的设计与实现

陈 然，韩玉鹏

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

0 引 言

射频开关是通信、测量等微波领域的重要控制元件，射频开关的存在使得在整机系统可以完成收发、切换、闭塞、优选等一系列的复杂功能，是整机系统的重要元件。随着装备的更新与发展，人们对高性能、小型化大功率射频开关的需求越来越迫切。

近年来，以氮化镓（Gallium Nitride，GaN）为代表的第三代宽禁带半导体技术在科学和工程领域突飞猛进地发展，以其高功率密度、高击穿电压、高反向关断电压、低导通电阻等明显优势推动着GaN 微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）工艺技术高速发展，日趋成熟。不断有新型大功率、高性能的GaN 功率开关电路芯片的报道[1-3]。GaN大功率开关芯片广泛应用于射频前端，是实现“两片式TR”的关键器件。

本文介绍的K 波段GaN 大功率开关芯片选用0.15 μm GaN 赝调制掺杂异质结场效应晶体管（Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor，pHEMT）工艺进行设计与制作。首先从功率开关的功率压缩机理分析入手，对GaN 开关模型进行参数提取。在提取模型参数的基础上，对开关电路进行电路原理图设计，并利用电路仿真软件进行整体电路参数的优化和芯片版图设计及电磁场仿真。通过工艺流片，最终实现了GaN 大功率单刀双掷开关芯片在18 ～22 GHz 频带内，0.1 dB 输入压缩功率点可达到连续波12 W，开关插损1.1 dB，隔离度32 dB。控制电压为0 V 和-28 V 这2 个互补电平，芯片尺寸为1.90 mm×1.50 mm×0.08 mm，满足实际工程高性能、大功率的应用需求。

1 大功率开关芯片的设计

1.1 功率压缩机理及模型提取

从开关管模型维度上开展分析，开关管的功率压缩机理主要有以下2 种：一是在管子的导通状态下，电流过大超过Imax；二是管子在关断状态下，偏压超出夹断电压或者偏压超出击穿电压。对于第一种功率压缩情况，可以通过增大管子的总栅宽来提高Imax，这种功率压缩情况一般出现在串联通路的管子上，因为大部分的射频信号从这里流过。第二种情况则一般出现在关断状态下的管子，对于这种电压超出临界值产生的功率压缩，它所能承受的功率大小取决于管子的击穿电压，击穿电压越高，功率处理能力越大，但是通过一些手段提高击穿电压的同时，也会带来较大的导通电阻，从而影响插损指标，因此需要在二者之间折衷考虑。实际上，理想的模型本身具有一个较小的RonCoff值，也可以用这个值衡量一个开关模型的性能优劣[4-6]。

首先，对开关模型进行分析，其等效电路如图1所示，模型的导通电阻Ron是由沟道导通电阻和2个源、漏极板分别对衬底的欧姆接触电阻共同承担，而关断态结电容Coff也会受到源、漏极板对地电容和源漏之间电容的影响，通过调整管子的源漏间距和源漏条的宽度，可以得到不同的RonCoff值，最后通过测试比较，选取了源漏条宽度为8 μm、间距为5.5 μm 的管子模型。

图1 模型等效电路

通过晶圆流片后实际测试得到了开关模型的S参数，测试电压为0 V/-28 V，其中一个栅宽90 μm、栅指数为9 的开关模型，Ron为2.95 Ω，Coff为0.68 pF。

1.2 电路拓扑结构选取

单刀双掷开关典型的几种拓扑结构如图2 所示，其各自优缺点如表2 所示。考虑到射频前端中对大功率开关的要求主要是耐受功高、插损小以及隔离度好，因此本文选用并联形式拓扑结构实现K 波段GaN 大功率开关路芯片。

图2 单刀双掷开关典型拓扑结构

表2 单刀双掷开关典型拓扑结构的优缺点比较

1.3 电路参数设计与电磁场仿真优化

电路的设计过程包括电路拓扑结构设计、电路性能参数优化、电磁场仿真和电路版图的设计。本文介绍K 波段GaN 大功率开关芯片电路设计时，需考虑工作带宽、0.1 dB 输入压缩功率点、插入损耗、驻波比等指标要求及芯片面积的控制。

在设计开关电路时，首先考虑上文中提出的2种功率压缩机理。对于第一种，即在管子导通状态时，流过它的电流受限于这个管子的最大承受电流Imax，该工艺下，管子的饱和电流为600 mA/mm 左右。假设一个管子在它的最大电流Imax下工作时，流过功率为12 W，那么它的总栅宽为1.26 mm。对于第二种，即在管子关断状态时，偏压会随着射频信号摆动，当它的值超出夹断电压或者击穿电压时，会出现功率压缩情况[5,6]。图3 中可以看出在一个周期之内栅偏置电压和漏电压的关系，假设栅上的电阻足够大(Rbia=1/2πfCgs)，即栅极板是射频开路的，令栅压的摆幅不超过夹断或者击穿电压，这样很容易推出当外加控制电压Ubia等于管子夹断电压和击穿电压的平均值时，栅压的摆幅达到最大，即功率处理能力也达到它的极限，此时控制电压Ubia和最大承受功率Pmax可以表示如下，其中Ubr和Up分别为开关管的击穿电压和夹断电压。

图4 开关电路拓扑

通过以上分析，采用的电路拓扑如图4所示，当1、2 端口导通时，FET1 和FET2 处于关断状态，FET3和FET4 处于打开状态。在整个电路中，只有4 只并联到地的管子，而在串联通路上，通过几段四分之一波长线替代了开关管，因此避免了因电流过大而产生的功率压缩，且这种结构具有较小的插入损耗。

考虑到芯片元器件之间的电磁耦合效应和芯片的实际制作，大功率开关芯片需进行版图设计和仿真优化，以获得优异的电性能。基于上述这些必要的匹配网络，通过电磁场仿真和无源参数的优化，实现所需的电路性能和较小的芯片尺寸。版图设计中主要需要考虑工艺兼容性和功率容量，在尽量缩小芯片面积的同时充分考虑到带线与带线之间、带线与器件之间互不干扰，通过电磁场分析来提高电路设计的精度。利用仿真软件对开关电路进行仿真设计，本文设计的K 波段GaN 大功率开关芯片电磁场仿真结果如图5所示，芯片面积为1.90 mm×1.50 mm。

图5 电磁场仿真结果

2 芯片制造与测试结果

综合考虑频带、击穿电压、反向关断电压以及导通电阻等因素，本文设计的大功率开关芯片采用0.15 μm GaN pHEMT 工艺制作。该工艺经过长期的材料性能结构分析研究、优化设计提升以及工艺能力的建设和生长技术的稳定，器件的性能良好、可靠性高，工艺可重复性好、可生产性好且可靠性高。

芯片制造完成后，首先对芯片进行裸片测试。本文采用了矢量网络分析仪和探针台组成的测试系统，最终设计出的GaN 大功率开关芯片的测试指标如图6所示。

图6 测试结果

测试结果为：工作频带范围为18 ～22 GHz；开关插损小于1.1 dB；隔离度大于32 dB；端口回波损耗小于-15 dB。通过装配测试，在0 V/-28 V 的控制电压下，测试其连续波功率处理能力，得到开关的0.1 dB 输入功率压缩点P_0.1 dB=40.8 dBm，成功实现了开关电路的大功率设计。可以看出，本文提取的开关模型具有可行性，指标优良。

3 结 论

本文对开关电路的功率压缩机理进行了深入分析和研究，在传统开关管模型上对其进行改进，获得了一种高性能的开关模型。并对电路拓扑进行优化设计，基于0.15 μm GaN pHEMT 单片工艺成功设计并实现了一款K 波段GaN 大功率开关芯片。在18 ～22 GHz 频带内，0.1 dB 输入压缩功率点可达到连续波12 W，开关插损1.1 dB，隔离32 dB。控制电压为0 V 和-28 V 这2 个互补电平，芯片尺寸为1.90 mm×1.50 mm×0.08 mm，满足实际工程高性能、大功率的应用需求。