徐永剛，顧黎明，湯茗凱，唐世軍，陳曉青，劉 柱，陳 韜

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

氮化鎵（GaN）是第三代寬禁帶半導體的典型代表，具有擊穿電壓高、功率密度大、熱導率高、抗輻射等突出優(yōu)點。與第一代半導體Si和第二代半導體GaAs相比，GaN材料的電子飽和漂移速度和峰值漂移速度更大，是制備高壓、大功率、高溫、抗輻射的新一代微波功率器件和電路的理想材料。同時，由于GaN材料具有高熱導率的特點，其在高溫環(huán)境下工作時具有良好的散熱特性以及更高的可靠性[1]。

GaN微波功率器件及MMIC相關產品在雷達、通信衛(wèi)星和基站等通信設備中有著廣泛的應用前景。隨著無線通信以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展，大功率、高效率GaN內匹配功率管的研發(fā)需求越來越迫切。近年來，國內外科研機構及相關企業(yè)紛紛推出不同頻段、不同功率級別的GaN內匹配功率管產品，而在C波段，已經報道的內匹配功率管的功率從幾十瓦到上百瓦不等，日本Takao Ishida等學者報道過一款應用于雷達的C波段100 W內匹配功率管產品[2]；西電的盧陽等人也報道了一款C波段102 W的高效率內匹配GaN功率管[3]。本文基于南京電子器件研究所自主研制的GaN HEMT管芯，采用四胞合成的方式，在50 V條件下實現(xiàn)5.3～5.9 GHz頻帶內輸出功率400 W，功率增益12 dB，帶內附加效率48%以上。

2 GaN管芯

本文中選用的GaN HEMT由南京電子器件研究所研制，其AlGaN/GaN晶體管外延材料結構截面圖如圖1所示，SiC襯底之上分別為成核層、摻Fe GaN緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層和GaN帽層[4]，在GaN溝道層和AlGaN勢壘層之間有厚度約為1 nm的AlN插入層。管芯采用了對緩沖層摻雜適量Fe元素的方式提升了擊穿電壓。管芯采用“V”型柵結構，直流測試得到器件兩端和三端擊穿電壓分別達到了180 V和160 V。

圖1 AlGaN/GaN晶體管截面示意圖

根據負載牽引測試結果，可以推算在6 GHz、50 V條件下，400 μm元件偏效率點的功率密度可以達到7.5 W/mm，根據此并結合匹配損耗及合成效率推算，為了實現(xiàn)400W以上的輸出功率，需要采用4個16mm的管芯進行功率合成，16 mm管芯版圖如圖2所示。

圖2 16 mm柵寬GaN HEMT管芯版圖

3 內匹配電路的設計與實現(xiàn)

3.1 GaN HEMT器件輸出阻抗模型

由于GaNHEMT管芯的功率密度可達7.5W/mm，遠高于GaAs微波功率管（約10倍），且GaN器件的模型對熱效應非常敏感，因此包含了熱效應影響的負載牽引（Load-Pull）測試數據精度更高，可以直接用于指導設計。所以目前針對大柵寬、高功率的GaN器件，其輸出阻抗模型主要還是依據負載牽引測試結果。

本文中對PCM單胞0.4 mm柵寬的GaN管芯進行Load-pull測量，得到其大信號負載阻抗，其測試結果如表1所示，然后按比例推算出16 mm柵寬GaN管芯的輸出阻抗，作為進行管芯輸出端匹配網絡設計的依據。

表1為6.0 GHz頻點下負載牽引測試得到的最佳功率、效率阻抗點及其所對應的功率、附加效率，測試條件為漏壓50 V。圖3為簡化的GaN HEMT輸出阻抗電路模型，電阻和電容的值由負載牽引測得的阻抗值換算得到，考慮到最佳功率阻抗和最佳效率阻抗的折中，最終優(yōu)化出1 mm GaN功率管芯等效輸出電阻和等效輸出電容分別為96 Ω和0.34 pF。大柵寬管芯的輸出阻抗可以通過并聯(lián)來獲得。

表1 6.0 GHz的負載牽引測試數據

圖3 簡化的GaN HEMT輸出阻抗電路模型

采用管芯的小信號模型參數設計輸入匹配電路，小信號模型可以通過在片測試小柵寬管芯的S參數進行提取。

3.2 內匹配電路的設計

內匹配技術是實現(xiàn)大功率器件的核心技術之一，GaN管芯柵寬越大，實阻抗部分越小，要把四胞管芯阻抗匹配到50 Ω，需要引入輸入、輸出內匹配電路。匹配電路可以提升管芯輸入端與輸出端阻抗的實部，抵消虛部，使管芯及管芯各部分間在信號幅度與相位上獲得平衡，對參與匹配的管芯進行功率分配與合成，并且最終將四胞管芯輸入輸出阻抗變換到50 Ω。

匹配電路采用傳統(tǒng)的匹配方式，主要包括兩個部分，一部分是帶阻抗變換的功率分配/合成器，功率分配/合成器的端口阻抗設置為15 Ω。在單個管芯的輸入端通過一級L-C-L將阻抗進行提升，再通過兩段微帶線將阻抗變換到100 Ω，從而合成后實現(xiàn)50 Ω。輸出端阻抗首先經一級L-C將單個管芯阻抗值進行提升，并抵消掉阻抗虛部，再經過兩段微帶線后匹配到100 Ω，從而合成后實現(xiàn)50 Ω。最終對整個電路進行了MOMENTUM仿真，圖4為四胞GaN內匹配電路拓撲結構圖。

圖4 內匹配功率管總體拓撲示意圖

3.3 內匹配電路的實現(xiàn)

采用薄膜電路工藝制作內匹配電路，功率分配/合成器均制作在A12O3陶瓷基片（介電常數為9.9，厚度為380 μm）上，端口之間制作平衡電阻，增加各路之間的隔離。

在L-C型網絡設計中，電感使用鍵合金絲等效，電感為[5]：

式中：D為金絲直徑，n為金絲的根數，l為金絲長度，s為金絲間距，鍵合金絲直徑為25 μm。

電容采用Al2O3陶瓷基片制作，雙面鍍金的電容值 C 為[5]：

式中：εr為材料的相對介電常數，ε0為真空介電常數，a為長，b為寬，t為厚度，K為修正因子，通常取值為1.2～1.8。文中所用陶瓷基片介電常數為85，厚度為180 μm。

根據設計仿真，電路片、管芯、電容等合理排布并用290℃金錫焊料燒結在高熱導率管殼中以降低熱阻，并用金絲鍵合。圖5為最終實現(xiàn)的內匹配功率管正面照片。完成裝配后，首先對器件進行初步測試，根據測試結果調整管芯柵和漏端的鍵合金絲長度和弧度以及匹配電容值的大小，使整個器件的匹配達到最佳狀態(tài)，實現(xiàn)50 Ω匹配及功率最大，效率最佳。

圖5 內匹配功率管照片

4 測試結果與分析

對功率管進行了測試，條件為：柵電壓-2.9 V，漏電壓50 V，周期1 ms，占空比10%，輸入功率恒定44 dBm時，其輸出功率與附加效率測試結果如圖6所示。在5.3～5.9 GHz頻率范圍內，輸出功率大于400 W，帶內最高點處達到最大值431 W。各頻點功率附加效率均在48.2%以上，最高點達到52.06%。從圖中可以看出功率增益大于12 dB，最高點達到12.35 dB。

圖6 微波測試結果

上述測試結果表明，在5.3～5.9 GHz，匹配合成后的器件在脈沖條件下GaN HEMT管芯的功率密度可達到6.25～6.73 W/mm，采用總柵寬為4×16 mm的管芯，最終實現(xiàn)了輸出功率400 W以上的器件。

5 總結

本文采用自主研發(fā)的GaN HEMT管芯進行了四胞功率匹配合成，實現(xiàn)了大柵寬管芯的功率阻抗匹配，研制出在5.3～5.9 GHz頻帶內輸出功率400 W、功率附加效率超過48.2%、功率增益大于12 dB的GaN內匹配功率管。采用該設計方法設計的內匹配功率管可以實現(xiàn)更高的輸出功率，在固態(tài)微波放大器中有很好的應用前景。

[1]MILLIGAN J W,SHEPPARD S,PRIBLE W,et al.SiC and GaN wide bandgap device technologyoverview[C].Proceedings of IEEE Radar Conference.Boston MA，USA，2007:960-964.

[2]Takao Ishida.GaN HEMT Technologies for Space and Radio Applications[C].IEICE technical Report,2011，54（8）：56.

[3]Yang Lu,Mengyi Cao,et al.71%PAE C-band GaN power amplifier using harmonic tuning technology[J].Electronic Letter,2014,50（17）：1207-1209.

[4]Ren Chunjiang,Li Zhonghui,Yu Xuming,et al.Field plated 0.15 μm GaN HEMTs for millimeter-wave application[J].Chinese Journal of Semiconductor,2013,34(6):064002-1-064002-5.

[5]李效白.砷化鎵微波功率場效應管及其集成電路[M].北京：科學出版社，1982：279.