SiC襯底X波段GaN MMIC的研究
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GaN微波單片集成電路(MMIC)具有高工作電壓、高輸出功率、頻帶寬、損耗小、效率高、體積小、抗輻照等特點，具有誘人的應用前景，成為國內外許多研究機構的研究熱點。德國R．Behtash等人制作出X波段GaN MMIC，工作電壓30V，工作頻率10 GHz時，輸出功率為39 Bm(CW)，增益大于10 dB；美國D．M．Fanning等人研制出Si襯底25 W X波段GaN HEMT功率放大器MMIC，放大器分兩級：輸入級柵寬2．5 mm，輸出級柵寬11．4 mm，漏壓為30 V時，在10 GHz頻率下，脈沖工作方式輸出功率為25W，增益為15 dB，功率附加效率為21％；漏極偏置電壓為24V時，在8～12．5 GHz頻段內連續波輸出功率為20W，最大飽和漏電流密度為570 mA／mm。
國內在此領域的研究時間相對較短，受模型、工藝、材料等因素的限制，研究相對較慢。2007年2月，國內研制出x波段GaN MMIC，報道脈沖輸出功率大于10 W。
本文使用國產6H-SiC襯底的外延材料自主研制了A1GaN／GaN HEMT，使用器件典型脈沖數據、S參數數據、微波功率數據建立器件的大信號模型，將器件的大信號模型內嵌到ADS軟件系統，建立微帶結構的GaN MMIC電路，在ADS環境中優化電路設計，測試結果顯示當頻率在9．1~10．1 GHz，帶內連續波輸出功率大于10 W，峰值達到11．04 W，帶內增益大于12 dB，平坦度為土0．2 dB，ηPAE大于30％。本研究實現了GaNMMIC從襯底到電路的全部國產化。
1 AIGaN／GaN HEMT研制
采用國產半絕緣6H-SiC襯底利用MOCVD外延GaN HEMT外延材料，采用離子注入工藝進行有源區隔離，源漏金屬采用Ti／Al／Ni／Au系統，柵金屬為Ni／Au，研制的單胞總柵寬為2．5 mm的AIGaN／GaN HEMT，工作電壓達到40．5 V，X波段連續波輸出功率達到20 W，線性增益大于10 dB，ηPAE大于40％，輸出功率特性曲線如圖1所示。
2 GaN MMIC設計與研制
2．1 AIGaN／GaN HFET大信號模型的建立
精確的非線性器件模型是功率放大器單片設計的關鍵。目前有關AIGaN／GaN HEMT的建模技術并不成熟，無專業的商業軟件用于建模。本文在借鑒GaAs功率器件建模的基礎上采用改進的Materka模型，其基本結構如圖2所示。利用分步提取參數的方法，對l mnl AIGaN／GaN HEMT進行非線性模型的建模，參數提取包括5步：(1)從脈沖柵電流測量數據中提取柵電流參數和內建勢；(2)從改進的Cold FETS參數測量數據中提取寄生參數，包括源、漏、柵電阻和電感；(3)從脈沖漏源電流測量數據中提取漏源電流參數；(4)從工作偏置狀態S參數測量數據中提取本征模型參數；(5)提取柵電容模型參數。建立的1 mm器件大信號模型參數，如圖3所示，其中實線為測試數據，虛線為仿真數據。圖3表明，模型仿真結果與測試結果吻合得較好，能真實地反映器件的特性。
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