SiC衬底X波段GaN MMIC的研究
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。
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