發(fā)布時間：2020-10-17 08:02

　　 射頻功率放大器(RF PA)是發(fā)射系統(tǒng)中的主要部分。目前功率放大器的主流工藝依然是砷化鎵(GaAs)工藝。然而近期氮化鎵(GaN)技術(shù)的成熟為大幅改進系統(tǒng)性能提供了可能。GaN的高介電擊穿特性可以支持更高的漏極電壓,以提供更高的功率密度。借助GaN可顯著提高微波設(shè)備的射頻轉(zhuǎn)化效率和最大輸出功率,以降低系統(tǒng)的總成本。如今,基于GaN工藝的單片微波集成電路(MMIC)正在被逐步引入到商用微波射頻單元中。迄今為止,大多數(shù)將GaN應(yīng)用于功率放大器的供應(yīng)商都依賴于早期器件中的封裝技術(shù),如Si橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)和Si雙極結(jié)晶體管(BJT)。通過用GaN替換這些封裝中的硅材料,已經(jīng)實現(xiàn)了功率密度和效率的提高,但是繼續(xù)依賴傳統(tǒng)的陶瓷封裝并沒有產(chǎn)生有意義的器件尺寸或重量的減少。因此,本論文提出一種基于GaAs和GaN工藝的小型化、輕薄化、高度集成化、低成本化的混合集成新技術(shù)。這種混合集成方案兼有GaAs和GaN兩種技術(shù)的優(yōu)勢。在倍頻程帶寬220～520MHz頻率范圍內(nèi),最高提供10W的輸出功率。該混合集成MMIC采用低成本10×10mm2柵格陣列(LGA)表貼塑料封裝,使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠克服尺寸、重量、性能和成本(SWaP-C)的挑戰(zhàn),同時滿足系統(tǒng)對寬帶、更高功率、效率和可靠性的要求。本論文研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:1.本文提出一種小型化、輕薄化、高度集成化、低成本化的混合集成技術(shù)。在確保功率放大器芯片寬帶,高增益,高效率,高功率,高線性的前提下,兼顧尺寸、重量、性能和成本(SWaP-C)的平衡。將不同工藝的大功率器件混合集成封裝在一個管殼內(nèi)。利用新型BT基板材料,集成GaAs驅(qū)動放大器、GaN功率放大器和內(nèi)匹配電路在LGA封裝內(nèi)。完成高集成度,高增益,高效率,寬帶(高于一個倍頻程),小型化的設(shè)計。通過減少GaN的使用量以及塑封方法,大幅降低芯片的整體成本,成本降幅超過50%。2.GaN功率管的寬帶隙、高擊穿電場等特點,使其具有帶寬寬,高效特性等優(yōu)點。所以對于上述設(shè)計方法,第一級GaAs驅(qū)動放大器的寬帶設(shè)計是非常重要的。本文利用負反饋技術(shù)、電流鏡自適應(yīng)線性化偏置技術(shù),基于2μm InGaP/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)工藝設(shè)計并制造一款200～1200MHz寬帶、高增益、高功率驅(qū)動級功率放大器。3.本文提出了一種新的GaAs HBT器件熱分流結(jié)構(gòu)。通過引入集電極金屬,新增加一條功放熱源到地的散熱路徑,針對性的降低基極-集電極結(jié)溫度,優(yōu)化GaAs功率放大器熱分布,提高效率,進一步提高芯片的可靠性。4.本文提出一種提高GaAs HBT器件擊穿電壓(BV)的方法。通過增加HBT器件的亞集電層(N+Sub Collector區(qū)域),來增加集電區(qū)外延層的厚度,并降低集電層摻雜濃度,提高器件的擊穿電壓。GaAs HBT器件的擊穿電壓由14V提高至19V。5.基于0.25μm SiC基GaN HEMT工藝,設(shè)計并流片制造末級功率放大器。GaAs驅(qū)動級功率放大器與GaN功率放大器是最終構(gòu)成小型化芯片的主體部分,它們的帶寬、功率、效率等性能最終決定了單片集成功率放大器的性能。6.本文提出一種新的BT基板設(shè)計結(jié)構(gòu)。多年來,高功率放大器的封裝一直以金屬和陶瓷封裝工藝為主,GaN也不例外。但是這種方法以及對傳統(tǒng)陶瓷封裝的持續(xù)依賴并沒有顯著降低元件尺寸或重量。塑料封裝能夠降低元器件的尺寸和重量,但器件的功耗更高。本文通過將發(fā)熱集中的GaAs MMIC和GaN晶體管放置在高導(dǎo)熱率銅填充通孔陣列的頂部來解決熱設(shè)計挑戰(zhàn),以克服塑料封裝的散熱缺陷,并使高功率GaN器件能夠在塑料封裝中以良好的性能和高可靠性運行。7.本文同時提出了一種具有超低負載電容(小于O.1pF)的新型達林頓結(jié)構(gòu)ESD/EMP保護電路。GaAs和GaNMMIC對靜電放電(ESD)和電磁脈沖輻射(EMP)非常敏感,隨著各種先進的電子設(shè)備在現(xiàn)代軍事武器及戰(zhàn)時通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,其受到強電磁脈沖干擾的威脅也越來越大。傳統(tǒng)的EMP保護方式如瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管或金屬氧化物壓敏電阻(MOV)等,雖然能夠提供足夠的EMP保護,但在RF系統(tǒng)中,卻會引起RF系統(tǒng)性能的下降,這主要來自傳統(tǒng)保護器件相關(guān)的寄生電容。具有超低負載電容(小于O.1pF)的新型達林頓結(jié)構(gòu)ESD/EMP保護電路,在提供ESD/EMP保護的同時,不會降低RF電路性能。該芯片采用2μm InGaP/GaAs HBT工藝設(shè)計并制造,利于芯片的集成化,以進一步提高MMIC芯片的可靠性。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN722.75
【部分圖文】：

使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠使用更小的儲能電容器，并在增加總發(fā)射功率時保持相同數(shù)量的功??率放大器［２６＇２７］。這種新的ＧａＮ驅(qū)動能力正在產(chǎn)生新一代更靈活，堅固耐用的雷達系統(tǒng)，??這些系統(tǒng)針對日益苛刻的性能要求和環(huán)境條件進行了優(yōu)化。圖１－１對比了不同半導(dǎo)體技??術(shù)并顯示了其相互比較情況［２８］。??１０００Ｗ?－－??１００Ｗ?－?■??Ｓｉｌｉｃｏｎ?ＧａＮ／ＳｉＣ??ＬＤＭＯＳ??ｉ?１〇Ｗ＂?ＱａＮ／Ｓｉ??１?Ｗ?．?．?ＧａＡｓ??ＳｉＱｅ???１?１?１—??１?ＧＨｚ?１０?ＧＨｚ?１００?ＧＨｚ??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ??圖１－１微波頻率范圍功率電子器件的工藝技術(shù)對比［２８］??２??

使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠使用更小的儲能電容器，并在增加總發(fā)射功率時保持相同數(shù)量的功??率放大器［２６＇２７］。這種新的ＧａＮ驅(qū)動能力正在產(chǎn)生新一代更靈活，堅固耐用的雷達系統(tǒng)，??這些系統(tǒng)針對日益苛刻的性能要求和環(huán)境條件進行了優(yōu)化。圖１－１對比了不同半導(dǎo)體技??術(shù)并顯示了其相互比較情況［２８］。??１０００Ｗ?－－??１００Ｗ?－?■??Ｓｉｌｉｃｏｎ?ＧａＮ／ＳｉＣ??ＬＤＭＯＳ??ｉ?１〇Ｗ＂?ＱａＮ／Ｓｉ??１?Ｗ?．?．?ＧａＡｓ??ＳｉＱｅ???１?１?１—??１?ＧＨｚ?１０?ＧＨｚ?１００?ＧＨｚ??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ??圖１－１微波頻率范圍功率電子器件的工藝技術(shù)對比［２８］??２??

并集成到三金屬互連工藝中。在３０Ｖ直流偏置條件下，ＰＡ在１．５？１７ＧＨｚ帶寬上實??現(xiàn)了大于１０ｄＢ的小信號增益，９？１５Ｗ飽和輸出功率（Ｐｓａｔ）和２０？３８％峰值功率附加??效率（ＰＡＥ）。具有偏置分量的ＧａＮｌｌＷＮＤＰＡ的照片如圖１－２所示。??２０１０年，日本富士通公司Ｓａｔｏｓｈｉ?Ｍａｓｕｄａ［４Ｇ］等人利用四分之一波長短截線和單片寬??帶耦合器開發(fā)了６？１８ＧＨｚ?ＭＭＩＣＮＤＰＡ。這種拓撲結(jié)構(gòu)改善了１８ＧＨｚ的輸出功率，并??在整個頻段內(nèi)獲得了平坦的輸出功率。如圖１－３所示，ＰＡ采用０．２５ｐｍ?ＧａＮＨＥＭＴ工藝制??造，輸出功率超過１０Ｗ，平均ＰＡＥ在６？１８ＧＨｚ范圍內(nèi)達到了?１８％。據(jù)報道，這是目前??公開的在Ｃ－Ｋｕ頻段工作的任何固態(tài)ＭＭＩＣ放大器輸出功率和帶寬的最佳組合。??圖卜３?富士通６？１８ＧＨｚＭＭＩＣＮＤＰＡ［４０］??２０１０年，ＵＭＳ?（Ｕｎｉｔｅｄ?Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ?Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）公司ＧＭｏｕｇｉｎｏｔ等人使用基于??ＳｉＣ襯底的０．２５ｐｍＧａＮ工藝制造了一顆單片三級高功率ＰＡ?（ＨＰＡ）?ＭＭＩＣ［４１］。該ＨＰＡ在??６？１８ＧＨｚ范圍內(nèi)提供６？１０Ｗ輸出功率，最小小信號增益為１８ｄＢ。這是ＵＭＳ?０．２５阿??ＧａＮ技術(shù)的第一顆ＭＭＩＣ。??＼＼??圖１－４?Ｃｒｅｅ衛(wèi)星通信應(yīng)用的陶瓷封裝兩級功率放大器［？］??２０１７年，Ｃｒｅｅ公司的商用ＧａＮ?ＨＥＭＴ?ＭＭＩＣ，?ＣＭＰＡ５５８５０２５Ｆ發(fā)布［４２＞。如圖?１－４所??示
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本文編號：2844514