AlGaN/GaN HEMT建模及GaN MMIC设计

摘要

由于具有大禁带宽度、高电子迁移率、高电子饱和速度和大击穿场强等优点，基于GaN材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在最近十几年成为了微波功率器件及电路领域的研究热点。单片微波集成电路(MMIC)由于其相对其他微波电路有更小的尺寸，所以更适合运用在高频率的微波应用中。本文以AlGaN/GaNHEMT及GaNMMIC为核心内容，开展了以下方面的研究:
　　1.本文基于实验室已有的AlGaN/GaNHEMT工艺，提出了一套带接地背孔工艺的GaNMMIC制造工艺。该工艺包括了AlGaN/GaNHEMT、金属-绝缘层-金属(MIM)电容、螺旋电感、薄膜电阻以及背孔，具有两层布线金属，可以满足大部分MMIC的设计要求。
　　2.本文对栅宽为1.25mm，栅长为0.5μn的AlGaN/GaNHEMT器件进行了直流特性、小信号特性以及大信号负载牵引(Loadpull)特性的表征;提出了一套完整的不需要无源开路(open)结构和短路(short)结构的多栅指大栅宽AlGaN/GaNHEMT的小信号建模流程;介绍了Angelov及AngelovGaN模型、CPC模型以及EEHEMT1模型，提取了栅宽为1.25mm的多栅指大栅宽AlGaN/GaNHEMT器件的Angelov直流模型、CPC直流模型以及完整的EE_HEMT1模型，与Loadpull测试结果的对比表明提取的EE_HEMT1模型可以很好的模拟GaN器件的射频功率特性;提出了一个新的解析模型用来模拟kink效应对器件输出曲线的影响;对无源器件，如MIM电容、螺旋电感、薄膜电阻和接地背孔等，进行了设计和建模;最后，设计了用于参数提取和建立模型的光刻掩模板版图，其包含不同尺寸的AlGaN/GaNHEMT器件、MIM电容、螺旋电感、薄膜电阻和其他无源结构，并且已经完成了掩模板的制造。
　　3.本文介绍了线性功率放大器的基础知识，基于实验室制造的栅长为0.5μm的AlGaN/GaNHEMT器件，利用Cripps方法和小信号设计方法设计了一款两级ClassAB微波功率放大器。最终版图电磁仿真以及EE_HEMT1大信号模型验证结果表明，该功率放大器在20V漏极工作电压下，在6.5GHz到9GHz的范围内都能达到16W以上的微波功率输出，在6.5GHz到8.5GHz的范围内都能达到10dB以上的功率增益，在6.5GHz到8.7GHz的范围内都能达到30％以上的功率附加效率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 AlGaN／GaN HEMT及MMIC的发展

1．3 本文主要内容

第二章 AlGaN／GaN HEMT及MMIC制造工艺

2．1 AlGaN／GaN HEMT的工作原理

2．2 AlGaN／GaN HEMT的制造工艺

2．2．1 欧姆接触

2．2．2 台面刻蚀

2．2．3 表面SiN钝化

2．2．4 栅槽刻蚀及栅金属蒸发

2．2．5 第二层SiN淀积，互联开孔及互联金属蒸发

2．2．6 空气桥制作

2．3 无源器件的制造工艺

2．3．1 MIM电容

2．3．2 螺旋电感

2．3．3 薄膜电阻

2．3．4 背孔接地

2．4 基于AlGaN／GaN HEMT的MMIC制造工艺

第三章 MMIC有源及无源器件建模

3．1 AlGaN／GaN HEMT器件的表征

3．1．1 AlGaN／GaN HEMT直流特性表征

3．1．2 AlGaN／GaN HEMT小信号特性表征

3．1．3 AlGaN／GaN HEMT大信号特性表征

3．2 AlGaN／GaN HEMT小信号建模

3．3 AlGaN／GaN HEMT大信号模型

3．3．1 Angelov及Angelov GaN模型

3．3．2 CPC(Cabral，Pedro，Carvalho)模型

3．3．3 EE_HEMT1模型

3．4 AlGaN／GaN HEMT中Kink效应建模

3．5 GaN HEMT MMIC无源器件建模

3．5．1 MIM电容

3．5．2 螺旋电感与薄膜电阻

3．5．3 接地背孔

3．6 排版及制版

第四章 GaN MMIC微波功率放大器

4．1 线性微波功率放大器基础

4．1．1 传统高效率微波功率放大器分类

4．1．2 微波功率放大器基本指标

4．2 两级GaN MMIC功率放大器设计

4．2．1 总体结构设计

4．2．2 输入、级间和输出网络的设计

4．2．3 电路总体仿真及大信号模型验证

第五章 总结与展望

5．1 文章内容总结

5．2 未来工作

致谢

参考文献

研究成果