高效率GaNMMIC优化技术的研究
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2010 年 10 月
张志国
等 : 高效率 GaN MMIC 优 化技术的研究
4
结论
58 W, 38% PAE X Band AlGaN/ GaN HEMTs microstripMMIC amplifiers [C] Proceedings of Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium.Motery, CA, 2008: 1 4. [ 4] KUHN J, van RAAY F, QUAY R, et al. Design of highly efficient GaN X band power amplifier MMICs [ C] Proceedings of M icrowave Symposium Digest. Moston, MA, 2009: 661 664. [ 5] ZHANG Z G, FENG Z, WU J B, et al. 10 W X band AlGaN/ GaN MMIC [ C] Proc of APMC2008. HongKong, China, 2008: 1 4. [ 6] 张志国 , 王民 娟 , 冯志红 , 等 . 20 W X 波段 GaN MMIC 的 研究 [ J] . 半导体技术 , 2009, 34( 8) : 821. ( 收稿日期 : 2010 08 09) 作者简介 :
[ 1]
0
引言
GaN 材料具有大的 禁带宽度 ( 3 4 eV) 、高饱
研 制 出 X 波 段 GaN
[ 2]
MMIC, 连 续 波 输 出 功 率 为 39 dBm, 增 益 大 于 10 dB; 2005 年 D M Fanning 等人 研 制出输 出功 率大 于 25 W 的 X 波 段 GaN MMIC。 2008 年 法 国 S Piotrowicz 等人[ 3] 研制出 8~ 10 GHz 输出功率大于 25 W的 GaN MMIC, 效 率大于 27% 。 2009 年 德国 J Kuhn 等人[ 4] 研制出 8 5~ 10 GHz, 输出功率大于
图 2 改进的 AlGaN/ GaN HEMT 大信号模型 Fig 2 Improved AlGaN/ GaN HEMT large signal model
选择两级放大的匹配电路结构, 电路结构为有 耗匹配, 整个电路采用对 称形式。利用 ADS 软件 提供的无源元件进行 GaN MMIC 结构设计和优化。 在电路优化时 , 主要调整电阻、电容等匹配元件, 优化电路的频带参数、输出功率参数、效率参数和 驻波参数等。分别进行小信号、大信号和电磁场仿 真和优化。 为了研究前后级有源器件栅宽比对电路特性的 影响, 尤其是对效率特性的影响 , 将前级电路有源 器件的栅宽固定, 改变末级电路的总栅宽 , 图 3 分 别为驱动比为 2 和 3 的电路效率仿真结果, 当驱动 比为 2 时, 频 率为 8 5~ 12 GHz, PAE 达到 20% , 而驱动比为 3 时 , 相应频段的 PAE 达到 30% , 效 率 增加 10% 。 图 4为 驱动比 为 3的 电路功率 和增益
图 1 2 5 mm 器件输出功率特性曲线图 Fig 1 Curves of output power characteristics of the 2 5 mm GaN HEMT
( a) 驱动比为 2 的仿真结果
2 AlGaN/ GaN HEMT 大信号模型和 GaN MMIC 设计
借鉴 GaAs 功率器件建模的经验, 使用改进的 Materka 模型建立了 GaN HEMT 模型 , 如图 2 所示。 在模型参数提取上采用宽电压范围、多偏置点的方 法, 分别提取器件不同电压的脉冲 I V 参数和 S 参 数, 偏置电压最高达到35 V, 这样模型仿真的器件 阻抗与器件正常工作时的阻抗吻合较好。
图 6 X 波段两级 GaN MMIC 芯片照片 Fig 6 Photo of the X band two stage GaN MMIC
3
GaN MMIC 的研制与测试分析
根据相同的工艺规则进行芯片版图设计, 采用优
化的 GaN MMIC 的研制工艺进行工艺流片, 工艺流程 与器件的流程基本相同。无源元件部分, 电容为平面 电容, 介质层为 SiN 层, 电阻为 NiCr 表面电阻, 背面 采用通孔技术实现源接地, 降低源电感。 GaN MMIC 芯片烧结在载体上, 进行微波功率 测试, 驱动比为 2 的芯片微波功率特性曲线如图 5 所示 , 工 作 电 压 VDS = 28 V, 测 试 频 率 为 8~ 10 GHz, 输出功率大于 18 W, 增益大于 13 dB, 效 率大 于 25% 。频率 为 9 GHz 时, 芯 片输 出 功率 为 18 6 W, 增益13 7 dB, 效率达为 30 23% 。驱动比 1026 半导体技术第 35 卷第 10 期
October 2010
( b) 驱动比为 3 的仿真结果
图 3 驱动比对电路效率影响的仿真结果 Fig 3 PAE of ADS results with different driver rations
Semiconductor Technology Vol 35 No 10
1025
张志国
等 : 高效率 GaN MMIC 优化技术的研究
1
器件结构设计与研制
GaN HEMT 外延材料结构为标准的 AlGaN/ GaN / 。器件工艺中采 栅, 研制的总栅宽
异质结构 , 方块电阻约为 250 子束直写工艺, 形成 0 3 m的
用离子注入工艺实现器件之间的良好隔离, 采用电 为2 5 mm 器件封装在金属管壳中进行测试 , X 波段 输出 功 率 大 于 18 W, 线 性 增 益 8 dB, PAE 大 于 40% , 其输出功率特性曲线如图 1 所示。
15 W, 效率 大 于 30% ( 最 大 值 为 40% ) 的 GaN MMIC。国内在此领域的研究主要集中在中 国电子 科技集团公司第十三研究所和第五十五研究所, 近 两年也有相关的报道, 张志国等人[ 5 6] 分别在 2008 和 2009 年报道了输出功率达到 10 W 和 20 W 的 GaN MMIC。 本文主要研究了电路驱动比对芯片特 性的影 响, 采 用 国 产 衬 底 的 GaN HEMT 建 立 了 基 于 Materka 大信号模型, 利用 ADS 软件进行电路设计 与优化。在电路设计中针对电路前后级有源器件的 驱动比进行优化 , 电路仿真显示, 改变驱动比可以 明显地改善电路的效率特性。分别研制了不同驱动 比的电路 , 微波测试结果验证了仿真结果。
2010 年 10 月
和 ( 峰值) 漂移速度、高热导率及峰值击穿电场 , 基于 AlGaN/ GaN 异质结的 GaN MMIC 具有功率密度 大、功率附加效率高、击穿电压高等优点, 成为各 个研究机构研究的热点。 1024 半导体技术第 35 卷第 10 期
张志国
等 : 高效率 GaN MMIC 优 化技术的研究
集成电路设计与开发 Design and Development of IC doi: 10 3969/ j issn 1003 353x 2010 10 018
高效率 GaN MMIC 优化技术的研究
张志国, 秘瑕, 王民娟, 李静强, 宋建博, 崔玉兴, 冯志红, 付兴昌, 蔡树军
( 中国电子科技集团公司 第十三研究所 , 石家庄 050051) 摘要: 使用国产 SiC 衬底的 GaN HEMT 外延材料实现了大功率 、高效率的 GaN HEMT 器件, 建立了大信号模型, 利用 ADS 软件建立了 GaN MMIC 的拓扑, 仿真了驱动比对电路性能的影响。 仿真结果表明, 驱动比由 2 ( 电路 1) 增加到 3 ( 电路 2) , 效率提高 10% 。 工艺上分别实现了两 种电路, 测试表明 , 效率由 25% ( 电路 1) 提高到 30% ( 电路 2) , 验证了仿真结果 。电路 2 在测 试频率为8~ 10 GHz时 , 脉冲输出功率大于 21 W, 增益大于 15 dB, 效率大于 35% ; 频率为 8 GHz 时, 输出功率最大值为25 W, 效率最大值为 45% , 具有较好的性能。 关键词 : 氮化镓 ; 微波单片集成电路; 驱动比; 高功率 中图分类号: TN304 23; TN432 文献标识码: A 文章编号: 1003 353X ( 2010) 10 1024 04
图 7 驱动比为 3 的 GaN MMIC 脉冲输出功率特性曲线 Fig 7 Pulsed output power curves of the GaN MMIC with the driver ration of 3
比较两个电路的测试结果, 发现驱动比为 3 的 电路, 尽管末级芯片的总栅宽加大, 但由于驱动比 合理, 芯片的增益提高了 2 dB, 效率提高了 10% , 带内最高效 率达 到 45% , 最大 值提高 了近 15% , 说明选择合理的驱动比可以改善器件的性能, 尤其 是效率特性。
( a) 微波输出功率特性
图 5 驱动比为 2 的 GaN MMIC 输出功率曲线 Fig 5 Pulsed output power curves of the GaN MMIC with the driver ration of 2
( b) 增益特性
Biblioteka Baidu
图 4 驱动比为 3 的 X 波段 GaN 功率 MMIC 仿真结果 Fig 4 Emulational results of X band GaN MMIC with the driver ration of 3
Study on Optimization of High Efficiency GaN MMICs
Zhang Zhiguo, Mi Xia, Wang Minjuan, Li Jingqiang, Song Jianbo, Cui Yuxing, Feng Zhihong, Fu Xingchang, Cai Shujun
的仿真结果 , 器件仿真频段在 8 5~ 13 GHz 时 , 输 出功 率 大 于 20 W, 增 益 大 于 15 dB, PAE 大 于 30% , 具有较好的仿真结果。
为 3 的芯片照片如图 6 所示, 微波功率特性曲线如 图 7 所 示, 工作电压 VDS = 28 V, 测 试频率为 8~ 10 GHz, 输 出功 率 大于 21 W, 增 益 大于 15 4 dB, 效率大于 35% 。频率为8 GHz 时, 芯片输出功率为 25 W, 增益16 dB, 效率达到 45% 。
改变驱动比可以改善电路的微波特性, 主要是 因为 , 当驱动比为 2 时, 驱动级器件工作在接近饱 和区 , 器件的增益压缩, 输出级输入信号大 , 工作 在过饱和区, 因此整个电路的增益小, 影响电路的 效率特性。当增大驱动比后, 驱动级电路工作在线 性区 , 增益大, 末级器件总栅宽增加, 远离深饱和 区, 电路的增益明显增加 , 效率提高。
( The 13th Research I nstitute, CETC, Shijiaz huang 050051, China)
Abstract: A high power and high efficiency GaN HEMT was manufactured with indigenous SiC substrate epi wafer, and a large signal model was developed. Using ADS software, the topo structure of GaN MMIC was designed, and the impact of driver ration on circuit was simulated. The simulated results show that the drive ratio is increased from 2 ( circuit 1) to 3 ( circuit 2) , and the efficiency is enhanced by 10% . These two GaN MMICs were fabricated. The test results show that PAE is raised from 25% ( circuit 1) to 30% ( circuit 2) . In the circuit 2 at 8- 10 GHz, the output pulse power is more than 21 W, the gain is more than 15 dB and the PAE is more than 35% . The maximum output power is 25 W and maximum PAE is 45% at 8 GHz. Key words: GaN; MMIC; driver ration; high power EEACC: 2570H 2004 年 R Behtash 等 人
张志国
等 : 高效率 GaN MMIC 优 化技术的研究
4
结论
58 W, 38% PAE X Band AlGaN/ GaN HEMTs microstripMMIC amplifiers [C] Proceedings of Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium.Motery, CA, 2008: 1 4. [ 4] KUHN J, van RAAY F, QUAY R, et al. Design of highly efficient GaN X band power amplifier MMICs [ C] Proceedings of M icrowave Symposium Digest. Moston, MA, 2009: 661 664. [ 5] ZHANG Z G, FENG Z, WU J B, et al. 10 W X band AlGaN/ GaN MMIC [ C] Proc of APMC2008. HongKong, China, 2008: 1 4. [ 6] 张志国 , 王民 娟 , 冯志红 , 等 . 20 W X 波段 GaN MMIC 的 研究 [ J] . 半导体技术 , 2009, 34( 8) : 821. ( 收稿日期 : 2010 08 09) 作者简介 :
[ 1]
0
引言
GaN 材料具有大的 禁带宽度 ( 3 4 eV) 、高饱
研 制 出 X 波 段 GaN
[ 2]
MMIC, 连 续 波 输 出 功 率 为 39 dBm, 增 益 大 于 10 dB; 2005 年 D M Fanning 等人 研 制出输 出功 率大 于 25 W 的 X 波 段 GaN MMIC。 2008 年 法 国 S Piotrowicz 等人[ 3] 研制出 8~ 10 GHz 输出功率大于 25 W的 GaN MMIC, 效 率大于 27% 。 2009 年 德国 J Kuhn 等人[ 4] 研制出 8 5~ 10 GHz, 输出功率大于
图 2 改进的 AlGaN/ GaN HEMT 大信号模型 Fig 2 Improved AlGaN/ GaN HEMT large signal model
选择两级放大的匹配电路结构, 电路结构为有 耗匹配, 整个电路采用对 称形式。利用 ADS 软件 提供的无源元件进行 GaN MMIC 结构设计和优化。 在电路优化时 , 主要调整电阻、电容等匹配元件, 优化电路的频带参数、输出功率参数、效率参数和 驻波参数等。分别进行小信号、大信号和电磁场仿 真和优化。 为了研究前后级有源器件栅宽比对电路特性的 影响, 尤其是对效率特性的影响 , 将前级电路有源 器件的栅宽固定, 改变末级电路的总栅宽 , 图 3 分 别为驱动比为 2 和 3 的电路效率仿真结果, 当驱动 比为 2 时, 频 率为 8 5~ 12 GHz, PAE 达到 20% , 而驱动比为 3 时 , 相应频段的 PAE 达到 30% , 效 率 增加 10% 。 图 4为 驱动比 为 3的 电路功率 和增益
图 1 2 5 mm 器件输出功率特性曲线图 Fig 1 Curves of output power characteristics of the 2 5 mm GaN HEMT
( a) 驱动比为 2 的仿真结果
2 AlGaN/ GaN HEMT 大信号模型和 GaN MMIC 设计
借鉴 GaAs 功率器件建模的经验, 使用改进的 Materka 模型建立了 GaN HEMT 模型 , 如图 2 所示。 在模型参数提取上采用宽电压范围、多偏置点的方 法, 分别提取器件不同电压的脉冲 I V 参数和 S 参 数, 偏置电压最高达到35 V, 这样模型仿真的器件 阻抗与器件正常工作时的阻抗吻合较好。
图 6 X 波段两级 GaN MMIC 芯片照片 Fig 6 Photo of the X band two stage GaN MMIC
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GaN MMIC 的研制与测试分析
根据相同的工艺规则进行芯片版图设计, 采用优
化的 GaN MMIC 的研制工艺进行工艺流片, 工艺流程 与器件的流程基本相同。无源元件部分, 电容为平面 电容, 介质层为 SiN 层, 电阻为 NiCr 表面电阻, 背面 采用通孔技术实现源接地, 降低源电感。 GaN MMIC 芯片烧结在载体上, 进行微波功率 测试, 驱动比为 2 的芯片微波功率特性曲线如图 5 所示 , 工 作 电 压 VDS = 28 V, 测 试 频 率 为 8~ 10 GHz, 输出功率大于 18 W, 增益大于 13 dB, 效 率大 于 25% 。频率 为 9 GHz 时, 芯 片输 出 功率 为 18 6 W, 增益13 7 dB, 效率达为 30 23% 。驱动比 1026 半导体技术第 35 卷第 10 期
October 2010
( b) 驱动比为 3 的仿真结果
图 3 驱动比对电路效率影响的仿真结果 Fig 3 PAE of ADS results with different driver rations
Semiconductor Technology Vol 35 No 10
1025
张志国
等 : 高效率 GaN MMIC 优化技术的研究
1
器件结构设计与研制
GaN HEMT 外延材料结构为标准的 AlGaN/ GaN / 。器件工艺中采 栅, 研制的总栅宽
异质结构 , 方块电阻约为 250 子束直写工艺, 形成 0 3 m的
用离子注入工艺实现器件之间的良好隔离, 采用电 为2 5 mm 器件封装在金属管壳中进行测试 , X 波段 输出 功 率 大 于 18 W, 线 性 增 益 8 dB, PAE 大 于 40% , 其输出功率特性曲线如图 1 所示。
15 W, 效率 大 于 30% ( 最 大 值 为 40% ) 的 GaN MMIC。国内在此领域的研究主要集中在中 国电子 科技集团公司第十三研究所和第五十五研究所, 近 两年也有相关的报道, 张志国等人[ 5 6] 分别在 2008 和 2009 年报道了输出功率达到 10 W 和 20 W 的 GaN MMIC。 本文主要研究了电路驱动比对芯片特 性的影 响, 采 用 国 产 衬 底 的 GaN HEMT 建 立 了 基 于 Materka 大信号模型, 利用 ADS 软件进行电路设计 与优化。在电路设计中针对电路前后级有源器件的 驱动比进行优化 , 电路仿真显示, 改变驱动比可以 明显地改善电路的效率特性。分别研制了不同驱动 比的电路 , 微波测试结果验证了仿真结果。
2010 年 10 月
和 ( 峰值) 漂移速度、高热导率及峰值击穿电场 , 基于 AlGaN/ GaN 异质结的 GaN MMIC 具有功率密度 大、功率附加效率高、击穿电压高等优点, 成为各 个研究机构研究的热点。 1024 半导体技术第 35 卷第 10 期
张志国
等 : 高效率 GaN MMIC 优 化技术的研究
集成电路设计与开发 Design and Development of IC doi: 10 3969/ j issn 1003 353x 2010 10 018
高效率 GaN MMIC 优化技术的研究
张志国, 秘瑕, 王民娟, 李静强, 宋建博, 崔玉兴, 冯志红, 付兴昌, 蔡树军
( 中国电子科技集团公司 第十三研究所 , 石家庄 050051) 摘要: 使用国产 SiC 衬底的 GaN HEMT 外延材料实现了大功率 、高效率的 GaN HEMT 器件, 建立了大信号模型, 利用 ADS 软件建立了 GaN MMIC 的拓扑, 仿真了驱动比对电路性能的影响。 仿真结果表明, 驱动比由 2 ( 电路 1) 增加到 3 ( 电路 2) , 效率提高 10% 。 工艺上分别实现了两 种电路, 测试表明 , 效率由 25% ( 电路 1) 提高到 30% ( 电路 2) , 验证了仿真结果 。电路 2 在测 试频率为8~ 10 GHz时 , 脉冲输出功率大于 21 W, 增益大于 15 dB, 效率大于 35% ; 频率为 8 GHz 时, 输出功率最大值为25 W, 效率最大值为 45% , 具有较好的性能。 关键词 : 氮化镓 ; 微波单片集成电路; 驱动比; 高功率 中图分类号: TN304 23; TN432 文献标识码: A 文章编号: 1003 353X ( 2010) 10 1024 04
图 7 驱动比为 3 的 GaN MMIC 脉冲输出功率特性曲线 Fig 7 Pulsed output power curves of the GaN MMIC with the driver ration of 3
比较两个电路的测试结果, 发现驱动比为 3 的 电路, 尽管末级芯片的总栅宽加大, 但由于驱动比 合理, 芯片的增益提高了 2 dB, 效率提高了 10% , 带内最高效 率达 到 45% , 最大 值提高 了近 15% , 说明选择合理的驱动比可以改善器件的性能, 尤其 是效率特性。
( a) 微波输出功率特性
图 5 驱动比为 2 的 GaN MMIC 输出功率曲线 Fig 5 Pulsed output power curves of the GaN MMIC with the driver ration of 2
( b) 增益特性
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图 4 驱动比为 3 的 X 波段 GaN 功率 MMIC 仿真结果 Fig 4 Emulational results of X band GaN MMIC with the driver ration of 3
Study on Optimization of High Efficiency GaN MMICs
Zhang Zhiguo, Mi Xia, Wang Minjuan, Li Jingqiang, Song Jianbo, Cui Yuxing, Feng Zhihong, Fu Xingchang, Cai Shujun
的仿真结果 , 器件仿真频段在 8 5~ 13 GHz 时 , 输 出功 率 大 于 20 W, 增 益 大 于 15 dB, PAE 大 于 30% , 具有较好的仿真结果。
为 3 的芯片照片如图 6 所示, 微波功率特性曲线如 图 7 所 示, 工作电压 VDS = 28 V, 测 试频率为 8~ 10 GHz, 输 出功 率 大于 21 W, 增 益 大于 15 4 dB, 效率大于 35% 。频率为8 GHz 时, 芯片输出功率为 25 W, 增益16 dB, 效率达到 45% 。
改变驱动比可以改善电路的微波特性, 主要是 因为 , 当驱动比为 2 时, 驱动级器件工作在接近饱 和区 , 器件的增益压缩, 输出级输入信号大 , 工作 在过饱和区, 因此整个电路的增益小, 影响电路的 效率特性。当增大驱动比后, 驱动级电路工作在线 性区 , 增益大, 末级器件总栅宽增加, 远离深饱和 区, 电路的增益明显增加 , 效率提高。
( The 13th Research I nstitute, CETC, Shijiaz huang 050051, China)
Abstract: A high power and high efficiency GaN HEMT was manufactured with indigenous SiC substrate epi wafer, and a large signal model was developed. Using ADS software, the topo structure of GaN MMIC was designed, and the impact of driver ration on circuit was simulated. The simulated results show that the drive ratio is increased from 2 ( circuit 1) to 3 ( circuit 2) , and the efficiency is enhanced by 10% . These two GaN MMICs were fabricated. The test results show that PAE is raised from 25% ( circuit 1) to 30% ( circuit 2) . In the circuit 2 at 8- 10 GHz, the output pulse power is more than 21 W, the gain is more than 15 dB and the PAE is more than 35% . The maximum output power is 25 W and maximum PAE is 45% at 8 GHz. Key words: GaN; MMIC; driver ration; high power EEACC: 2570H 2004 年 R Behtash 等 人