C波段連續(xù)波200 WGaN內(nèi)匹配功率管設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

湯茗凱，唐世軍，顧黎明，周書同

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

目前，連續(xù)波內(nèi)匹配功率管廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星地面通信、微波散射通信和電子對(duì)抗等系統(tǒng)中，已經(jīng)成為無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，通信距離要求越來(lái)越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸量越來(lái)越大，連續(xù)波內(nèi)匹配功率管必定朝著大功率方向發(fā)展。

以GaN材料為基礎(chǔ)的第三代半導(dǎo)體工藝器件，具有高電子遷移率和高場(chǎng)強(qiáng)擊穿電壓等顯著特征。與典型材料以Si和GaAs為代表的第一代與第二代半導(dǎo)體相比，第三代半導(dǎo)體在工作帶寬、熱導(dǎo)率、功率密度和效率等方面優(yōu)勢(shì)明顯，更加適用于對(duì)可靠性、效率和功率有高要求的軍用無(wú)線微波通信領(lǐng)域。因此用第三代半導(dǎo)體制作的GaN管芯設(shè)計(jì)出大功率連續(xù)波內(nèi)匹配功率管已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)[1-3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多家半導(dǎo)體企業(yè)研制出多種型號(hào)的連續(xù)波GaN內(nèi)匹配功率管，工作頻率從P波段到X波段[4-7]，輸出功率從幾瓦到百瓦級(jí)別不等。C波段連續(xù)波內(nèi)匹配功率管公開報(bào)道的產(chǎn)品有日本TOSHIBA公司研制出的一款5.8～6.7 GHz頻段130 W連續(xù)波GaN內(nèi)匹配功率管（型號(hào)TGI5867-130LHA，工作電壓40 V），美國(guó)Cree公司推出的一款4.4～5.0 GHz頻段180 W連續(xù)波GaN內(nèi)匹配功率管（型號(hào)CGHV50200F，工作電壓40 V）。受制于管芯最高工作結(jié)溫和功率管體積的影響，上述C波段連續(xù)波內(nèi)匹配功率管工作電壓為40 V，最大輸出功率在180 W量級(jí)，功率附加效率（PAE）在50%以內(nèi)，管芯熱阻典型值達(dá)到0.8℃/W。本文基于南京電子器件研究所自主研制的GaN HEMT管芯，利用GaN管芯模型提取阻抗，采用多胞管芯功率合成技術(shù)，在工作電壓為28 V條件下進(jìn)行連續(xù)波測(cè)試，4.4～5.0 GHz頻帶內(nèi)輸出功率提升到200 W（典型值220 W），飽和功率增益10 dB，功率附加效率提高到50%（典型值53%），管芯熱阻降到0.52℃/W。

2 器件工藝及特性

本文研制的GaN HEMT器件剖面如圖1所示，GaN HEMT器件在101.6 mm（4英寸）半絕緣SiC襯底上生長(zhǎng)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料，該材料包含GaN緩沖層、AlGaN插入層和AlGaN勢(shì)壘層[8]。GaN HEMT器件柵長(zhǎng)為0.35μm，雙場(chǎng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，源漏間距為3.0μm。GaN HEMT器件采用歐姆接觸工藝制作，包含Ti/Al/Ni/Au 4層金屬體系，光刻形成包含Ti/Al的漏（Drain）和源（Source）電極以及包含Ni/Au的柵（Gate）電極，采用電子束剝離和蒸發(fā)工藝實(shí)現(xiàn)柵條金屬化。最后利用源通孔接地，并且將襯底減薄至100μm以增加器件本身的散熱能力。

圖1 GaN HEMT剖面示意圖

采用上述工藝制作的GaN HEMT管芯結(jié)構(gòu)如圖2所示，該管芯柵極采用分胞結(jié)構(gòu)，胞與胞之間用電阻連接，可以提升匹配電路的穩(wěn)定性；接地通孔直接制作在源條上有效提升散熱能力，降低器件熱阻，增加可靠性。

圖2 12 mm GaN HEMT管芯結(jié)構(gòu)

4μm×100 μm標(biāo) 準(zhǔn)PCM（Process Control Monitor）監(jiān)控管芯在漏壓VDS=28 V、漏極電流IDS=100 mA/mm、連續(xù)波測(cè)試條件下，PCM管芯截止頻率達(dá)到18 GHz。該P(yáng)CM管芯在4.7 GHz頻率點(diǎn)上的最佳功率匹配與最佳效率匹配條件下的微波特性分別如圖3和圖4所示。最佳功率匹配時(shí)該P(yáng)CM管芯功率密度為4.73 W/mm，功率增益（Gp）為12.7 dB，PAE為56.2%；最佳效率匹配時(shí)該P(yáng)CM管芯功率密度為4.33 W/mm，功率增益為12.1 dB，PAE為59.1%。

圖3 4μm×100μm管芯4.7 GHz最佳功率匹配性能曲線

3 匹配電路設(shè)計(jì)

該內(nèi)匹配功率管的拓?fù)潆娐啡鐖D5所示，從圖中可以看出輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)類似，均先通過L-C低通網(wǎng)絡(luò)將4只12 mm GaN HEMT管芯阻抗變換到某個(gè)值，然后通過微帶阻抗變換電路將阻抗匹配到50Ω。依據(jù)負(fù)載牽引系統(tǒng)提取的最佳效率和最佳功率匹配阻抗值，選取合適的阻抗進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)，輸入端采用的匹配方式實(shí)現(xiàn)良好的輸入駐波，輸出端采用的匹配方式實(shí)現(xiàn)大功率輸出。

圖4 4μm×100μm管芯4.7 GHz最佳效率匹配性能曲線

匹配電路中輸入輸出第一級(jí)L-C匹配網(wǎng)絡(luò)中電感L采用金絲替代實(shí)現(xiàn)，輸入端采用直徑為25μm的金絲；輸出端功率大，因此采用耐功率能力更強(qiáng)的直徑為38μm的金絲保證長(zhǎng)期工作的可靠性；輸入輸出匹配電容C采用高介電常數(shù)陶瓷板作為基底進(jìn)行制作，陶瓷板介電常數(shù)為85，厚度為180μm。輸入輸出微帶阻抗變換電路則采用低介電常數(shù)陶瓷板作為基底進(jìn)行制作，陶瓷板介電常數(shù)為9.9，厚度為380μm。

按照?qǐng)D5所示拓?fù)潆娐愤M(jìn)行輸入輸出阻抗匹配電路仿真設(shè)計(jì)，性能指標(biāo)要求：工作頻帶4.4～5.0 GHz，小信號(hào)增益（S21）大于等于14 dB，輸入端反射系數(shù)（S11）小于等于-15 dB。仿真偏置條件設(shè)置為：漏極工作電壓為28 V，柵極工作電壓為-2.2 V。仿真方法為：先進(jìn)行原理圖仿真，當(dāng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再進(jìn)行版圖仿真，然后將版圖仿真結(jié)果帶入原理圖進(jìn)行聯(lián)合仿真，提高仿真結(jié)果準(zhǔn)確度。

圖5 內(nèi)匹配功率管拓?fù)潆娐?/p>

經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化后小信號(hào)增益（S21）和輸入端反射系數(shù)（S11）仿真結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出4.4～5.0 GHz頻帶內(nèi)小信號(hào)增益（S21）大于14.5 dB，輸入端反射系數(shù)（S11）小于-15 dB，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

電路仿真完成后進(jìn)行電路制作，最終裝配鍵合完成的內(nèi)匹配功率管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示，采用金屬陶瓷封裝，封裝尺寸為24.0 mm×17.4 mm；4個(gè)GaN HEMT管芯合成輸出，單管芯物理尺寸為3.4 mm×0.8 mm。管芯與匹配電路用金錫焊料（Au80%Sn20%）高溫（T=300℃）燒結(jié)在金屬陶瓷封裝內(nèi)，輸入輸出端阻抗值均為50Ω。

4 測(cè)試結(jié)果

內(nèi)匹配功率管小信號(hào)增益和輸入端反射系數(shù)實(shí)際測(cè)試曲線如圖8所示，測(cè)試條件設(shè)置為：漏極工作電壓為28 V，柵極工作電壓為-2.2 V，輸入功率為0 dBm。從圖中可以看出4.4～5 GHz頻帶內(nèi)小信號(hào)增益（S21）大于14.5 dB，比仿真值小0.3～0.4 dB，這主要由于仿真環(huán)境是理想條件，而實(shí)際電路有損耗；輸入端反射系數(shù)（S11）小于-15 dB，與仿真結(jié)果基本一致。

圖6 小信號(hào)增益與輸入端反射系數(shù)仿真結(jié)果

圖7 200 W連續(xù)波內(nèi)匹配功率管照片

圖8 小信號(hào)增益與輸入端反射系數(shù)測(cè)試結(jié)果

25℃環(huán)境溫度條件下的功率壓縮特性如圖9所示，測(cè)試條件：漏極工作電壓28 V，柵極工作電壓-2.2 V，連續(xù)波測(cè)試。圖9所述內(nèi)容為輸出功率（Pout）、Gp和PAE隨輸入功率（Pin）變化曲線，從圖中可以看出在Pin達(dá)到43 dBm時(shí)，Pout達(dá)到53.6 dBm，此時(shí)PAE為52.2%，Gp壓縮4.3 dB，符合GaN HEMT管芯增益壓縮特性。

圖9 內(nèi)匹配功率管功率壓縮特性

25℃環(huán)境溫度條件下的功率特性如圖10所示，測(cè)試條件為：漏極電壓28 V，柵極電壓-2.2 V，輸入功率43 dBm，連續(xù)波測(cè)試。圖10所述內(nèi)容為Pout、Gp和PAE隨頻率變化曲線，從圖中可以看出在4.4～5.0 GHz頻段內(nèi)，Pout大于200 W，PAE大于51%，Gp大于10.5 dB。

圖10 內(nèi)匹配功率管功率特性

連續(xù)波輸出功率200 W內(nèi)匹配功率管的熱特性對(duì)其可靠性極其重要[9]。本文對(duì)該內(nèi)匹配功率管進(jìn)行了紅外熱成像測(cè)試，測(cè)試條件為：漏極工作電壓VDS=28 V，柵極工作電壓VGS=-2.2 V，Pin=43 dBm，熱臺(tái)溫度設(shè)置為70℃，此時(shí)Pout=196 W，功耗Pd=390 W，管殼溫度tc=92℃，功率管芯溝道溫度tj=198℃，

計(jì)算出熱阻Rth（j-c）=0.52℃/W。

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的內(nèi)匹配功率管性能指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外其他廠家C波段類似產(chǎn)品性能指標(biāo)對(duì)比情況如圖11所示。從圖中可以看出設(shè)計(jì)的內(nèi)匹配功率管是C波段同類產(chǎn)品連續(xù)波輸出功率唯一達(dá)到200 W以上的，并且其功率附加效率最大，其性能指標(biāo)處于領(lǐng)先水平。

圖11 C波段連續(xù)波功率管性能對(duì)比

5 總結(jié)

本文報(bào)道了一款基于GaN HEMT工藝的C波段連續(xù)波大功率內(nèi)匹配功率管的設(shè)計(jì)。該內(nèi)匹配功率管采用大功率多胞合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在4.4～5 GHz頻帶內(nèi)輸出功率大于200 W，功率附加效率最低值51%，小信號(hào)增益達(dá)到14.5 dB，功率增益10 dB以上，熱阻為0.52℃/W，性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。