孫春妹，鐘世昌,2，陳堂勝,2，任春江,2，焦 剛,2，陳 辰,2，高 濤

（1.南京電子器件研究所，南京 210016；2.單片集成電路及模塊電路國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

1 引言[1～5]

作為制造下一代微波功率器件的材料，GaN材料具有先天的優(yōu)勢(shì)，可以很好地滿足高溫、高頻以及大功率器件的性能要求，在衛(wèi)星通信、雷達(dá)以及導(dǎo)彈等民用和軍用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)最重要的發(fā)展前沿之一。很多文章已經(jīng)報(bào)道了GaN近年來在L、S、C以及X和Ku波段的大功率輸出，這些都是采用增加管芯總柵寬的方法來提高器件的功率輸出，這樣就使得管芯輸入、輸出阻抗變得很低，引入線以及管殼寄生參數(shù)對(duì)性能的影響很大，以至直接采用管殼外的匹配方法無法得到大的功率輸出甚至無法工作。解決方法是在管殼內(nèi)引入內(nèi)匹配電路，一方面把引線管殼的寄生參數(shù)等效為匹配電路元件參數(shù)的一部分，消除它的有害影響；另一方面也使管芯的低阻抗與外電路的阻抗匹配，使大功率輸出得以實(shí)現(xiàn)。因此，研究內(nèi)匹配技術(shù)，發(fā)揮GaN晶體管性能上的優(yōu)勢(shì)，有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，這為以后研制更大功率輸出的GaN器件打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

在這篇文章里，我們主要以GaN連續(xù)波20W輸出的內(nèi)匹配電路的研制作為例子，研究內(nèi)匹配電路的設(shè)計(jì)、合成以及測(cè)試，最終研制出的GaN內(nèi)匹配功率管Ku波段峰值達(dá)到21.38W，這是目前國內(nèi)關(guān)于Ku波段GaN功率輸出的最高報(bào)道。

2 GaN 內(nèi)匹配電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[6～9]

2.1 GaN器件的選擇

研制高效大功率內(nèi)匹配功率管，選擇合適柵寬的功率芯片很重要。我們的研究目標(biāo)是在Ku波段GaN連續(xù)波輸出功率達(dá)20W。南京電子器件研究所單片集成電路與模塊國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的1mm管芯在X波段漏偏置50V的條件下有10W/mm的功率密度，考慮到可靠性的需要進(jìn)行漏壓回退，在大柵寬條件下，熱效應(yīng)的積累使小柵寬的功率密度在大柵寬條件下大打折扣，且使功率管芯的擊穿電壓降低從而無法把大柵寬功率管的漏極電壓加到跟小柵寬一樣高，造成大柵寬的功率密度的進(jìn)一步降低。我們按照在30V漏壓4W/mm的輸出功率計(jì)算，輸出20W功率的功率器件最小需要選擇5mm柵寬的功率芯片。針對(duì)目前南京電子器件研究所已經(jīng)研制出的GaN功率管芯片，決定采用單個(gè)5.52mm功率芯片的方案。

圖1為5.52mmGaN單芯片的正面照片示意圖。它的單指柵寬115μm、柵柵間距為55μm。整個(gè)芯片的尺寸為2.7mm×0.6mm×0.1mm，沒有通孔結(jié)構(gòu)。

2.2 GaN器件的模型

對(duì)單胞1mm GaN管芯進(jìn)行負(fù)載牽引（load-pull）測(cè)量，得到其大信號(hào)負(fù)載阻抗，然后按比例推測(cè)出5.52mm GaN柵寬管芯的輸出阻抗，作為進(jìn)行管芯輸出端功率匹配設(shè)計(jì)的依據(jù)。采用管芯的小信號(hào)模型參數(shù)設(shè)計(jì)輸入匹配電路，管芯的小信號(hào)模型通過在片測(cè)試小柵寬管芯的S參數(shù)進(jìn)行提取。圖2為簡化的GaN HEMT的電路模型，主要確定Ri、Cgs、Rds和Cds4個(gè)參數(shù)進(jìn)行輸入和輸出匹配電路的設(shè)計(jì)。針對(duì)本項(xiàng)研究的5.52mm柵寬的GaN功率HEMT管芯，最終優(yōu)化出Ri、Cgs、Rds和Cds的值分別為1.8Ω、13.8pF、17.2Ω和0.7pF。

2.3 GaN內(nèi)匹配電路的設(shè)計(jì)

圖3為單芯片5.52mm GaN匹配電路示意圖。對(duì)芯片設(shè)計(jì)而言，一級(jí)L-C-L阻抗變換器把5.52mm GaN HEMT輸入阻抗從1.8Ω提升至10Ω，再用一級(jí)1/4波長傳輸線把10 Ω變換至50 Ω。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)用一級(jí)L-C-L阻抗變換器把輸出阻抗從17.2Ω提升至30 Ω，再用一級(jí)1/4波長傳輸線把30 Ω變換至50 Ω。

2.4 GaN內(nèi)匹配電路的實(shí)現(xiàn)

內(nèi)匹配電路輸入輸出傳輸線制作在介電常數(shù)為9.8、厚度為380 μm的陶瓷基片上；輸入輸出匹配電容制作在介電常數(shù)為78、厚度180 μ m的陶瓷電容上；匹配電路中的電感采用高Q的金絲來替代。圖4為實(shí)現(xiàn)的四路合成內(nèi)匹配電路正面照片。

2.5 GaN內(nèi)匹配電路的測(cè)試

如何使微波測(cè)試的實(shí)際值與真實(shí)值相符合,一個(gè)精準(zhǔn)的測(cè)試盒必不可少。圖5是典型的Ku波段大功率測(cè)試盒偏置電路原理圖，利用該原理圖做出來的測(cè)試夾具在Ku波段的直通差損小于1dB。

3 內(nèi)匹配電路的結(jié)果

圖6為設(shè)計(jì)的總柵寬5.52mm的內(nèi)匹配電路，Vds=+30V、Pin=39dBm，在11.8GHz～12.2GHz下的輸出功率值，從曲線看出，在整個(gè)帶內(nèi)都獲得20W以上的輸出功率，特別在12GHz獲得了21.38W的輸出功率、29.07%的PAE以及有5.1dB的飽和功率增益。這是迄今為止國內(nèi)在Ku波段單個(gè)封裝報(bào)道的最高功率輸出?？梢娖湓O(shè)計(jì)方法滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)，獲得了成功。

4 結(jié)論

在這項(xiàng)研究里，我們成功地研究了第三代半導(dǎo)體GaN的內(nèi)匹配問題，并以GaN內(nèi)匹配電路為例對(duì)內(nèi)匹配電路的設(shè)計(jì)、合成以及內(nèi)匹配電路的測(cè)試進(jìn)行了探討，最終實(shí)現(xiàn)了GaN 單胞5.52mm管芯Ku波段20W連續(xù)波輸出功率的內(nèi)匹配電路。這對(duì)未來研制更大功率輸出的GaN器件打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。特別是該項(xiàng)目使用的GaN芯片沒有通孔結(jié)構(gòu)，在使用通孔結(jié)構(gòu)后，在Ku波段增益還能再提高1dB以上，PAE也能再提高5%以上。本項(xiàng)研制工作獲得了南京電子器件研究所單片電路與應(yīng)用開發(fā)部的大力支持，在此一并感謝。

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