Ka波段高效率GaN HEMT功率器件及电路

摘要

面对通信产业日新月异的快速变化，全世界间联系不断紧密。从第一支晶体管在通信系统中的应用到现如今超大规模的集成电路，无线通信、雷达通信、航空航天、军事通信和空间通信等，都需要拥有更高工作电压、工作频率和工作效率的新型半导体材料。GaN材料因其禁带宽度宽、临界击穿电场高、饱和速度大、耐高温、耐腐蚀等一系列优势，非常适合应用在高频和大功率领域。AlGaN/GaN HEMT器件以其高浓度2DEG、高迁移率、高频率和大功率特点，成为微波功率器件的不二之选。目前，AlGaN/GaN HEMT器件研究进入毫米波频段。
　　针对Ka波段高效率GaN HEMT功率器件及电路的进行研究，取得的如下成果：
　　1、欧姆接触关键工艺研究。采用Recess欧姆接触结构，器件的欧姆接触电阻和比接触电阻率分别为，Rc=0.136Ω·mm和ρc=4.54×107Ω·cm2。此结构降低欧姆接触电阻的原因为，Recess形成新的欧姆接触表面，有利于TiN的扩散，形成了除电子隧穿之外的第二条导电通道，有效的降低了器件的欧姆接触电阻和比接触电阻率。同时，新的金半接触表面有利于增加两者之间的接触面，有效的阻止了金属Al向Au表面的扩散，形成良好的金属电极表面形态。在对两种欧姆结构的器件的测试中，采用Recess欧姆接触结构能有效的提高源漏最大电流，降低器件的导通电阻。
　　2、钝化关键工艺研究。对钝化后的介质层进行退火，退火后器件的直流电流下降了6.4％；同时，退火器件的跨导则高达124mS/mm；当源漏电压Vds=6V，退火器件的电流增益截止频率fT为81.8 GHz，功率增益截止频率fmax为152 GHz，增益Gmax=13.077dB。采用钝化后退火，有助于减小势垒层表面态密度，提升器件的射频特性。同时，还能够有效地降低器件的栅极反向漏电流，提高沟道电流，能够有效对抗电流崩塌效应对器件带来的不利影响。因此，提高器件的频率特性，有利于其在更大的领域里应用。
　　3、U型栅脚T型栅槽关键工艺研究。器件的阈值电压Vth=-1.45 V；跨导则高达417 mS/mm，相较于T型栅器件增加幅度达到20%；同时，U型栅脚T型栅器件开关电流比Ion/Ioff=2×104，常规T型栅器件开关电流比Ion/Ioff=1.4×103，相比于T型栅槽，U型栅脚T型栅结构的器件在毫米波频段可以获得更高的功率输出，更好的限阈特性，同时还能具有较好的功率增益，体现了其在毫米波功率器件应用上的巨大潜力。
　　4、基于稳懋公司的GaN HEMT工艺模型库，设计了一款两级多管功率放大电路。所设计的功率放大电路在输入功率为29dBm时的效率PAE为10.004%，输出功率Pout为36.785dBm，增益G为7.785dB。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 GaN材料的发展与特点

1.3 GaN HEMT器件及电路的研究

1.4本文的研究意义与主要研究内容

1.5小结

第二章GaN HEMT器件基础

2.1 AlGaN/GaN材料体系极化效应

2.2器件工作原理及主要指标介绍

2.3器件主要面临的问题

2.4AlGaN/GaN HEMT器件工艺流程

2.5小结

第三章AlGaN/GaN HEMT欧姆接触研究

3.1欧姆接触

3.2Ka波段AlGaN/GaN HEMT器件高性能欧姆接触研究

3.3小结

第四章AlGaN/GaN HEMT器件表面钝化研究

4.1 SiNx表面钝化

4.2Ka波段AlGaN/GaN HEMT器件SiNx钝化研究

4.3小结

第五章AlGaN/GaN HEMT器件U型栅研究

5.1T型栅AlGaN/GaN HEMT器件研究

5.2U型栅脚T型栅结构AlGaN/GaN HEMT研究

5.3小结

第六章Ka波段GaN MMIC电路研究

6.1 MMIC电路器件基础

6.2 MMIC电路设计流程与方法

6.3 MMIC电路原理图设计

6.4小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

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