C波段连续波200 WGaN内匹配功率管设计与实现

汤茗凯，唐世军，顾黎明，周书同

（南京电子器件研究所，南京 210016）

1 引言

目前，连续波内匹配功率管广泛应用于卫星地面通信、微波散射通信和电子对抗等系统中，已经成为无线通信系统的关键器件之一。随着无线通信技术的发展，通信距离要求越来越长，数据传输量越来越大，连续波内匹配功率管必定朝着大功率方向发展。

以GaN材料为基础的第三代半导体工艺器件，具有高电子迁移率和高场强击穿电压等显著特征。与典型材料以Si和GaAs为代表的第一代与第二代半导体相比，第三代半导体在工作带宽、热导率、功率密度和效率等方面优势明显，更加适用于对可靠性、效率和功率有高要求的军用无线微波通信领域。因此用第三代半导体制作的GaN管芯设计出大功率连续波内匹配功率管已经成为一个研究热点[1-3]。

近年来，国内外多家半导体企业研制出多种型号的连续波GaN内匹配功率管，工作频率从P波段到X波段[4-7]，输出功率从几瓦到百瓦级别不等。C波段连续波内匹配功率管公开报道的产品有日本TOSHIBA公司研制出的一款5.8～6.7 GHz频段130 W连续波GaN内匹配功率管（型号TGI5867-130LHA，工作电压40 V），美国Cree公司推出的一款4.4～5.0 GHz频段180 W连续波GaN内匹配功率管（型号CGHV50200F，工作电压40 V）。受制于管芯最高工作结温和功率管体积的影响，上述C波段连续波内匹配功率管工作电压为40 V，最大输出功率在180 W量级，功率附加效率（PAE）在50%以内，管芯热阻典型值达到0.8℃/W。本文基于南京电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术，在工作电压为28 V条件下进行连续波测试，4.4～5.0 GHz频带内输出功率提升到200 W（典型值220 W），饱和功率增益10 dB，功率附加效率提高到50%（典型值53%），管芯热阻降到0.52℃/W。

2 器件工艺及特性

本文研制的GaN HEMT器件剖面如图1所示，GaN HEMT器件在101.6 mm（4英寸）半绝缘SiC衬底上生长AlGaN/GaN异质结材料，该材料包含GaN缓冲层、AlGaN插入层和AlGaN势垒层[8]。GaN HEMT器件栅长为0.35μm，双场板结构设计，源漏间距为3.0μm。GaN HEMT器件采用欧姆接触工艺制作，包含Ti/Al/Ni/Au 4层金属体系，光刻形成包含Ti/Al的漏（Drain）和源（Source）电极以及包含Ni/Au的栅（Gate）电极，采用电子束剥离和蒸发工艺实现栅条金属化。最后利用源通孔接地，并且将衬底减薄至100μm以增加器件本身的散热能力。

图1 GaN HEMT剖面示意图

采用上述工艺制作的GaN HEMT管芯结构如图2所示，该管芯栅极采用分胞结构，胞与胞之间用电阻连接，可以提升匹配电路的稳定性；接地通孔直接制作在源条上有效提升散热能力，降低器件热阻，增加可靠性。

图2 12 mm GaN HEMT管芯结构

4μm×100 μm标 准PCM（Process Control Monitor）监控管芯在漏压VDS=28 V、漏极电流IDS=100 mA/mm、连续波测试条件下，PCM管芯截止频率达到18 GHz。该PCM管芯在4.7 GHz频率点上的最佳功率匹配与最佳效率匹配条件下的微波特性分别如图3和图4所示。最佳功率匹配时该PCM管芯功率密度为4.73 W/mm，功率增益（Gp）为12.7 dB，PAE为56.2%；最佳效率匹配时该PCM管芯功率密度为4.33 W/mm，功率增益为12.1 dB，PAE为59.1%。

图3 4μm×100μm管芯4.7 GHz最佳功率匹配性能曲线

3 匹配电路设计

该内匹配功率管的拓扑电路如图5所示，从图中可以看出输入输出匹配网络类似，均先通过L-C低通网络将4只12 mm GaN HEMT管芯阻抗变换到某个值，然后通过微带阻抗变换电路将阻抗匹配到50Ω。依据负载牵引系统提取的最佳效率和最佳功率匹配阻抗值，选取合适的阻抗进行匹配电路设计，输入端采用的匹配方式实现良好的输入驻波，输出端采用的匹配方式实现大功率输出。

图4 4μm×100μm管芯4.7 GHz最佳效率匹配性能曲线

匹配电路中输入输出第一级L-C匹配网络中电感L采用金丝替代实现，输入端采用直径为25μm的金丝；输出端功率大，因此采用耐功率能力更强的直径为38μm的金丝保证长期工作的可靠性；输入输出匹配电容C采用高介电常数陶瓷板作为基底进行制作，陶瓷板介电常数为85，厚度为180μm。输入输出微带阻抗变换电路则采用低介电常数陶瓷板作为基底进行制作，陶瓷板介电常数为9.9，厚度为380μm。

按照图5所示拓扑电路进行输入输出阻抗匹配电路仿真设计，性能指标要求：工作频带4.4～5.0 GHz，小信号增益（S21）大于等于14 dB，输入端反射系数（S11）小于等于-15 dB。仿真偏置条件设置为：漏极工作电压为28 V，栅极工作电压为-2.2 V。仿真方法为：先进行原理图仿真，当性能指标达到设计要求后，再进行版图仿真，然后将版图仿真结果带入原理图进行联合仿真，提高仿真结果准确度。

图5 内匹配功率管拓扑电路

经过多轮迭代优化后小信号增益（S21）和输入端反射系数（S11）仿真结果如图6所示。从图中可以看出4.4～5.0 GHz频带内小信号增益（S21）大于14.5 dB，输入端反射系数（S11）小于-15 dB，仿真结果满足设计要求。

电路仿真完成后进行电路制作，最终装配键合完成的内匹配功率管内部结构如图7所示，采用金属陶瓷封装，封装尺寸为24.0 mm×17.4 mm；4个GaN HEMT管芯合成输出，单管芯物理尺寸为3.4 mm×0.8 mm。管芯与匹配电路用金锡焊料（Au80%Sn20%）高温（T=300℃）烧结在金属陶瓷封装内，输入输出端阻抗值均为50Ω。

4 测试结果

内匹配功率管小信号增益和输入端反射系数实际测试曲线如图8所示，测试条件设置为：漏极工作电压为28 V，栅极工作电压为-2.2 V，输入功率为0 dBm。从图中可以看出4.4～5 GHz频带内小信号增益（S21）大于14.5 dB，比仿真值小0.3～0.4 dB，这主要由于仿真环境是理想条件，而实际电路有损耗；输入端反射系数（S11）小于-15 dB，与仿真结果基本一致。

图6 小信号增益与输入端反射系数仿真结果

图7 200 W连续波内匹配功率管照片

图8 小信号增益与输入端反射系数测试结果

25℃环境温度条件下的功率压缩特性如图9所示，测试条件：漏极工作电压28 V，栅极工作电压-2.2 V，连续波测试。图9所述内容为输出功率（Pout）、Gp和PAE随输入功率（Pin）变化曲线，从图中可以看出在Pin达到43 dBm时，Pout达到53.6 dBm，此时PAE为52.2%，Gp压缩4.3 dB，符合GaN HEMT管芯增益压缩特性。

图9 内匹配功率管功率压缩特性

25℃环境温度条件下的功率特性如图10所示，测试条件为：漏极电压28 V，栅极电压-2.2 V，输入功率43 dBm，连续波测试。图10所述内容为Pout、Gp和PAE随频率变化曲线，从图中可以看出在4.4～5.0 GHz频段内，Pout大于200 W，PAE大于51%，Gp大于10.5 dB。

图10 内匹配功率管功率特性

连续波输出功率200 W内匹配功率管的热特性对其可靠性极其重要[9]。本文对该内匹配功率管进行了红外热成像测试，测试条件为：漏极工作电压VDS=28 V，栅极工作电压VGS=-2.2 V，Pin=43 dBm，热台温度设置为70℃，此时Pout=196 W，功耗Pd=390 W，管壳温度tc=92℃，功率管芯沟道温度tj=198℃，

计算出热阻Rth（j-c）=0.52℃/W。

设计并实现的内匹配功率管性能指标与国内外其他厂家C波段类似产品性能指标对比情况如图11所示。从图中可以看出设计的内匹配功率管是C波段同类产品连续波输出功率唯一达到200 W以上的，并且其功率附加效率最大，其性能指标处于领先水平。

图11 C波段连续波功率管性能对比

5 总结

本文报道了一款基于GaN HEMT工艺的C波段连续波大功率内匹配功率管的设计。该内匹配功率管采用大功率多胞合成技术，实现了在4.4～5 GHz频带内输出功率大于200 W，功率附加效率最低值51%，小信号增益达到14.5 dB，功率增益10 dB以上，热阻为0.52℃/W，性能指标达到设计预期，具有广阔的市场应用前景。