SiC衬底X波段GaN MMIC的研究

0 引言
    GaN微波单片集成电路(MMIC)具有高工作电压、高输出功率、频带宽、损耗小、效率高、体积小、抗辐照等特点，具有诱人的应用前景，成为国内外许多研究机构的研究热点。德国R．Behtash等人制作出X波段GaN MMIC，工作电压30V，工作频率10 GHz时，输出功率为39 Bm(CW)，增益大于10 dB；美国D．M．Fanning等人研制出Si衬底25 W X波段GaN HEMT功率放大器MMIC，放大器分两级：输入级栅宽2．5 mm，输出级栅宽11．4 mm，漏压为30 V时，在10 GHz频率下，脉冲工作方式输出功率为25W，增益为15 dB，功率附加效率为21％；漏极偏置电压为24V时，在8～12．5 GHz频段内连续波输出功率为20W，最大饱和漏电流密度为570 mA／mm。
    国内在此领域的研究时间相对较短，受模型、工艺、材料等因素的限制，研究相对较慢。2007年2月，国内研制出x波段GaN MMIC，报道脉冲输出功率大于10 W。
    本文使用国产6H-SiC衬底的外延材料自主研制了A1GaN／GaN HEMT，使用器件典型脉冲数据、S参数数据、微波功率数据建立器件的大信号模型，将器件的大信号模型内嵌到ADS软件系统，建立微带结构的GaN MMIC电路，在ADS环境中优化电路设计，测试结果显示当频率在9．1~10．1 GHz，带内连续波输出功率大于10 W，峰值达到11．04 W，带内增益大于12 dB，平坦度为土0．2 dB，ηPAE大于30％。本研究实现了GaNMMIC从衬底到电路的全部国产化。

1 AIGaN／GaN HEMT研制
    采用国产半绝缘6H-SiC衬底利用MOCVD外延GaN HEMT外延材料，采用离子注入工艺进行有源区隔离，源漏金属采用Ti／Al／Ni／Au系统，栅金属为Ni／Au，研制的单胞总栅宽为2．5 mm的AIGaN／GaN HEMT，工作电压达到40．5 V，X波段连续波输出功率达到20 W，线性增益大于10 dB，ηPAE大于40％，输出功率特性曲线如图1所示。

2 GaN MMIC设计与研制
2．1 AIGaN／GaN HFET大信号模型的建立
    精确的非线性器件模型是功率放大器单片设计的关键。目前有关AIGaN／GaN HEMT的建模技术并不成熟，无专业的商业软件用于建模。本文在借鉴GaAs功率器件建模的基础上采用改进的Materka模型，其基本结构如图2所示。利用分步提取参数的方法，对l mnl AIGaN／GaN HEMT进行非线性模型的建模，参数提取包括5步：(1)从脉冲栅电流测量数据中提取栅电流参数和内建势；(2)从改进的Cold FETS参数测量数据中提取寄生参数，包括源、漏、栅电阻和电感；(3)从脉冲漏源电流测量数据中提取漏源电流参数；(4)从工作偏置状态S参数测量数据中提取本征模型参数；(5)提取栅电容模型参数。建立的1 mm器件大信号模型参数，如图3所示，其中实线为测试数据，虚线为仿真数据。图3表明，模型仿真结果与测试结果吻合得较好，能真实地反映器件的特性。

2．2 GaN MMIC电路设计
    选择两级放大的匹配电路结构，第一级输入匹配为50 Ω，使用两个总栅宽为lmm的器件。为了提高输出功率，同时减小电路的总面积，第二级采用一个总栅宽为4 mm的器件，信号分别经过功率分配和功率合成后匹配到50Ω输出。为了满足信号幅值和相位的对称性要求，第二级管芯栅、漏压点严格按照对称性进行设计。
    将器件的大信号模型内嵌到ADS软件环境中，利用ADS系统提供的无源元件进行GaN MMIC结构设计和优化，其拓扑结构如图4所示。在电路设计中，针对电路的性能指标对电阻、电容、电感等匹配元件进行优化，改善带宽特性和带内平坦度。分别进行小信号和大信号优化，以改善电路的功率特性。在输入、输出端适当增加匹配元件(电容、电感)，保证带内电路的输入、输出驻波比。在电路设计注意考虑包括微波测试时的偏置电路以保证测试与设计的对应一致性。在电路优化中，重点优化电路的输出功率特性。

2．3 GaN MMIC电路研制
    版图设计中主要考虑版图的布局及工艺的兼容性，微带线间的距离宜大于两倍基片的厚度，以减小传输线间的耦合。在尽量缩小芯片面积的同时要充分考虑到无源元件之间、无源元件与有源器件之间的互干扰效应，同时对设计的版图进行仿真分析。版图验证采用版图与原理图对应、DRC和局部的电磁场分析来提高电路设计的精度。在工艺设计上，考虑设计采用的元器件模型并不成熟，为了简化器件研制工艺，电阻采用体电阻形式，同时将欧姆接触引起的电阻加到总的电阻中。有源器件通过注入隔离，为防止SiN针孔引起击穿，200 nmSiN分两次淀积完成，衬底减薄到100 μm，器件全部工艺完成后，得到的MMIC照片如图5所示。

3 GaN MMIC测试与分析
    GaN MMIC芯片烧结在铜载体上，进行微波功率测试。确定偏置条件为：VDS=20V，VGS=一3．6 V，在8．5~10．5 GHz频率测试连续波输出特性，其测试的微波输出功率特性曲线如图6所示，频率为9．1～10．1 GHz，输出功率大于40 dBm，增益大于12 dB，JPAE大于30％，增益平坦度±0．2 dB，最大输出功率为11．04 W。

4 结论
    本文采用国内研制的6H-SiC衬底，自主研制高输出功率GaN MMIC。采用GaAs功率器件的Materka模型提取的A1GaN／GaN HEMT大信号建模，应用到GaN MMIC的设计中，得到较好的研究结果。利用混合套刻工艺研制出电路芯片，连续波在9．1~10．1 GHz内，输出功率大于lO W，首次研制出国产6H-SiC衬底的x波段GaN MMIC，其输出功率达到国内领先水平。