AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管模型研究与功率放大器设计

摘要

现今时代，无线通信技术得到了长足的进步，同时人们对固态电子器件也有更为苛刻的期望。随着使用频率的不断提高，输出功率的不断增大，以Si和GaAs为代表的前两代半导体越来越难以满足需求。而像GaN这样的新一代宽带隙半导体材料，由于其禁带宽度大，因此表现出许多优异的性能，例如击穿电压高、输出功率大、使用频率高、电子饱和漂移速率高，以及具有良好的温度和抗辐照特征。GaN基半导体晶体管也因此备受青睐，成为国际上众多科研团队的探索热点。但是GaN材料与前两代半导体材料有诸多不同之处，因此在GaN HEMT大信号模型的精确度和功率放大器的效率改善方面需要进一步地探索。 本文从GaN HEMT的材料生长和单片工艺入手，介绍了其工作机理。由于测试表征在研究中占有重要的地位，因此本文详细研究了校准算法，并且基于高Q值低损耗陶瓷材料衬底设计了性能良好的共面波导微带转换结构，用于微波测试。然后本文针对基于薄膜介质材料的无源器件进行研究，针对以SiN薄膜为介质材料的MIM电容研究了SiN介质各项特征参数对电容性能的影响，其次通过淀积不同种类的薄膜介质材料，研究介电常数对器件性能的影响。同时研究了空气-SiN复合介质材料空气桥宽带螺旋电感中空气桥的耦合效应对电感特性的影响。接着针对基于GaN材料的器件在直流特性上表现出的kink效应和自热效应进行了精确建模，解决了无法快速精确地通过大信号模型表征直流特性的问题。最后我们基于GaN HEMT通过宽带功率合成技术设计了一款工作于S波段的高效率大功率内匹配功率放大器。然后通过研究表明GaN晶体管输入和输出端的二次谐波成分都很大，因此在器件两端同时设计了谐波抑制网络，提高了功放效率，完成了一款工作在C波段的高效率高增益两级功率放大器。下面介绍了本论文的主要研究成果。 ①基于高Q值低损耗衬底材料的宽带CPW-MS转换结构设计。首先本文引入了传统的基于等效电路的校准方式，并推导了基于TRL的非对称结构的校准算法。比起对称结构的校准算法，该算法更加实用。接着本章基于高Q值低损耗AlN材料设计了一款用于微波测试的宽带CPW-MS转换结构。该结构采用无通孔工艺，大大简化了结构的加工过程和提高了制作的精度。其中过渡部分包含共面波导过渡节和微带过渡节两部分，通过设计这两个过渡节，不仅实现了阻抗匹配，同时使得场匹配也更加平滑，因此扩展了使用频带，工作带宽内的各项性能也得到改善。针对设计的过渡结构，本文提出了相应的集总模型和参量提取步骤，通过引入串联电容，可以模拟其宽带带通特性，同时通过去嵌步骤证明了该集总模型的准确性。所构建的转换结构在6.5GHz到46GHz的频带内S21小于1dB，在16GHz时达到0.23dB的最小值。②基于SiN薄膜介质材料MMIC技术MIM在片电容。由于GaN单片常使用抑制电流崩塌的SiN钝化层薄膜材料作为电容的电介质材料，因此我们以介电常数为6.7的SiN薄膜为介质，首先探索了电容面积对电容特性的影响，制作了面积范围为20μm×20μm~200μm×200μm的MIM电容。发现随着电容尺寸的增大，电容值不断增大，但会造成寄生效应变得更加明显，因此自谐振频率明显向低频移动。当电容尺寸减小时，品质因数会明显提升。然后从上述结果中提取电容和自谐振频率，对其进行定量表征。为了方便集成电路设计，本文对所设计的MIM电容进行集总模型的建立，该模型综合考虑了MIM电容的物理结构，在很宽的频带内拥有较高的精确度，同时还有可伸缩性。接着用同样的方法，以SiN介质厚度为变量再次研究其对电容性能的影响。再者，为了实现不同功能的电容，我们采用Polyimide、MgZnO、SrTiO3、BST和PZT等具有不同介电常数的薄膜材料作为电介质，来研究不同材料对电容特性的影响，为电路设计中电容的选择提供了依据。 ③SiN-空气复合介质空气桥宽带螺旋电感。由于4H-SiC衬底材料具有较低的介电常数，因此其寄生效应会比其他衬底材料弱，可以提高器件的频率特性。本文在4H-SiC衬底上制作了带有空气桥结构的平面螺旋电感，在空气桥和引线的重叠区域中间由空气和SiN钝化层薄膜材料形成了复合介质，该复合介质与上下两层金属构成了有效的耦合电容，本文详细研究了螺旋电感空气桥的寄生电容效应。所设计的SiC基螺旋电感其自谐振频率为51.6GHz，在22.1GHz的峰值品质因数为12.14。经过测试并分析其散射参数发现，当空气桥的高度降低时，其电感值、品质因数和自谐振频率均会出现指数衰减现象。并根据上述变化规律总结出一个解析公式，可以准确拟合测试数据，预测平面螺旋电感的性能，可以在流片之前指导工艺步骤和版图设计。解析公式中的每个拟合系数均具有一定的物理含义。此外，通过建立相应的RLC集总模型，本文提取了引起耦合电容效应的空气桥的寄生电容。在提取耦合电容时考虑了空气和SiN介质构成的复合电介质的有效介电常数，用于提取耦合电容的初始值。然后通过进一步的电磁仿真计算出空气桥区域的电磁场分布，讨论了品质因数等随空气桥高度的变化规律。 ④AlGaN/GaN HEMT大信号改进模型。首先本文通过测试构建了有源晶体管的SSM。通过综合考虑模型的复杂程度和精确度，提高模型参量的可分离度，本文确定使用18元件的GaN基SSM结构。首先通过冷参法确定了模型的寄生参量，然后在正常偏置条件下把寄生参量去嵌，计算剩下的本征参量。基于上述SSM，我们构建了大信号非线性模型。该模型采用了经验-表格基混合模型，混合模型兼具两种模型的优点，又规避了其不足。由于在GaN的缓冲层中施主态陷阱对沟道热电子的俘获与释放造成了kink效应，以及当器件偏置在较高漏压状态下时器件自热效应会导致饱和电流下降，现有的模型无法同时既精确又快速地对其进行建模。本文通过构建包含表格基模型的有源补偿子电路对原始等效电路的电流进行补偿，能够对电流的kink效应和自热效应实现无误差拟合，而且可以在合理的范围内进行外推。通过引入针对栅宽的归一化因子，实现了模型的可伸缩性。 ⑤基于GaN材料晶体管的高效率功率放大器设计。首先本文基于AlGaN/GaN HEMT设计了一款S波段功率放大器。通过输入输出预匹配网络将晶体管的源阻抗和负载阻抗匹配到一个中间实部阻抗。我们采用两路合成的方法来增大输出功率，通过设计多节宽带功率分配与合成网络实现功率的分配与合成，同时将中间实部阻抗转换成系统50Ω阻抗。最后对内匹配功放进行装配和测试。在1.8GHz–2.2GHz的频率范围内，该功放的输出功率大于100W，效率大于60%，功率增益大于15dB。然后我们设计了一款GaN基C波段高效率高增益两级PA。为了使所设计的放大器实现最佳的效率，首先通过搭建好的负载牵引测试系统确定了1.25mm器件在基频下和二倍频下的最优源阻抗和负载阻抗点，然后基于该阻抗点进行驱动电路设计。在输入匹配和输出匹配网络中，分别设计了谐波抑制网络，可以将二倍频处阻抗匹配到最佳阻抗点，实现最佳效率。在此基础上，本文研究了当二次谐波阻抗失配时对PA效率的作用。然后本文设计了功率放大级电路。两级电路栅宽比为1：4，放大级包含两个2.5mm器件，其最佳阻抗点根据1.25mm器件等比例伸缩得到。在放大级电路的输入和输出匹配网络中同样设计了谐波抑制网络，并精确计算和优化了功率合成网络和功率分配网络。在5.4GHz~5.8GHz的工作频带内，在连续波的测量模式下，放大器可以输出的最大功率为18.62W，此时的PAE为55.15%，功率增益为28.7dB，表现出了优异的性能。 综上所述，本文在AlGaN/GaN HEMT器件及大信号有源模型、薄膜介质材料无源元件及模型、高Q值低损耗材料衬底测试结构和校准算法，以及GaN基S波段内匹配功率放大器和C波段两级高增益高效率功率放大器设计上进行了深入的研究，所设计的功率放大器表现出了良好的性能，为下一步GaN器件和电路的发展奠定了基础并提出了新的挑战。

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第一章 绪论

1.1 GaN材料和器件的优势

1.2 基于GaN材料的功率放大器研究进展

1.3 基于GaN材料的有源器件模型研究

1.4 基于薄膜介质材料的无源器件及模型研究

1.5本论文内容及结构安排

第二章 AlGaN/GaN HEMT工作原理及器件制备工艺

2.1引言

2.2 AlGaN/GaN HEMT器件的工作原理

2.3 GaN基器件制备关键工艺

2.4 本章小结

第三章 基于高Q陶瓷材料的校准方法与过渡结构

3.1引言

3.2基于高Q陶瓷材料的校准算法

3.3 基于高Q陶瓷材料的共面波导微带转换结构设计

3.4本章小结

第四章 基于薄膜介质材料的无源元件研究

4.1引言

4.2基于SiN介质材料的在片电容及模型

4.3 基于复合介质的空气桥螺旋电感耦合效应

4.4 本章小结

第五章 基于GaN材料的有源器件模型构建方法

5.1引言

5.2 基于GaN 材料的18元件有源器件小信号模型

5.3 基于有源补偿子电路的GaN HEMT非线性模型

5.4本章小结

第六章 基于GaN材料的高效率功率放大器设计

6.1引言

6.2 功率放大器的主要技术指标

6.3 功率放大器的工作类型

6.4 GaN基S波段高效率功率放大器设计

6.5 GaN基C波段两级功率放大器设计

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本论文的主要工作

7.2 将来的研究计划

参考文献

致谢

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