MMIC功率合成技术发展动态

国内外研究现状

1、国内研究现状

国内关于GaN微波功率合成技术的研究起步比较晚，中电集团13所，55所和中科院微电子所均在这方面展开了相关的研究。

年份	单位	作者	类型	输出功率	频率段	PAE	增益（dB）	文献
手机受话器05	13所	冯振	HEMT	4W	8G	48%	4	1
07	中科院	姚小江	功率合成	41.4dBm	5.4G	32.54%		2
07	55所	王帅	HEMT	75W	7.5-9.5G	30%	6	3
08	中科院	曾轩	功率合成	10W	X波段	37.44%	9	4
09	13所	顾卫东	HEMT	141.25W		41.4%	>12	5
09	南京电子所	任春江	MIS HEMT	14.4W/mm	2G	54.2%	20.51	6
10	南京电子所	孙春妹	内匹配	20W/mm	Ku波段	29.07%	5	7

2005年，13所冯震等人制备了以蓝宝石为衬底的GaN基HEMT器件，饱和电流为890mA，最大跨导值为227ms，在频率为8GHz时连续波输出功率最大为4W，增益大于4dB，PAE为48%[1]。

2007年，中科院微电子所报道了一种基于AlGaN/GaN HEMT的功率合成技术的混合集成放大器电路。该电路包含4个 10x120μm的HEMT晶体管以及一个Wilkinson功率合成器和分配器。在偏置条件为VDS=40V，IDS=0.9A时，输出连续波饱和功率在5.4GHz达到41.4dBm，最大的PAE为32.54%，并且功率合成效率达到69%[2]。

2007年55所的王帅等报道了研制的lmm栅宽的AlGaN/GaN HEMT内匹配微波功率管，在32V漏偏压下在7.5-9.5GHz频率范围内输出功率大于5W制作无纺布手提袋，功率附加效率典型值为30%，功率增益大于6dB，带内增益平坦度为±0.4dB，带内最大输出功率为6W[3]。

2008年，中科院微电子所的曾轩等人采用内匹配功率合成技术,设计了基于AlGaN/GaN HEMT的X波段内匹配功率合成放大器，偏置条件为VDS=30V,IDS=700mA时,在8GHz测出连续波,饱和输出功率达到Psat=40dBm(10W),最大PAE=37.44%，线性增益为9dB[4]。

2009年，中电13所的顾卫东等人利用MOCVD技术研制了国产SiC衬底的GaN HEMT外延材料，方块电阻小于260μm/□ip调度系统，迁移率最大值达到2 130cm2/v.s，方块电阻和迁移率不均匀性小于3％，采用新的器件栅结构和高应力SiN钝化技术，降低了大栅宽器件栅泄漏电流，提高了工作电压。研制的总栅宽为25.3mm的四胞内匹配器件X波段输出功率达到141.25W，线性增益大于12dB，PAE达到41．4％；[5]南京电子器件研究所的任春江，陈堂胜等人，报道了一种采用磁控溅射A1N介质作为绝缘层的的SiC衬底A1GaN／GaN MIS HEMT，器件研制中采用了凹槽栅和场板结构，采用MIS结构后，器件击穿电压由80 V提高到了180V以上，保证了器件能够实现更高的工作电压，在2GHz、75V工作电压下，研制的200μm宽HEMT输出功率密度达到了14.4W／mm，器件功率增益和功率附加效率分别为20.5ldB和54.2％[6]。

2010年，南京电子研究所的孙春妹等人研究了内匹配电路的设计，合成以及内匹配电路的测试，实现了GaN功率HEMT在Ku波段20W连续波输出功率的内匹配电路。在12GHz功率增益大于5dB，功率附加效率29.07%，是目前国内GaN功率器件在Ku波段连续波输出的最高报道。[7]

2、国外研究现状

目前针对特定重大需求，国际上积极开展GaN基微波器件和功率合成技术的新原理、新方法、新结构研究，取得了很大进展。

无心磨床调机方法

年份金银卡纸	单位	作者	类型	输出功率	频率段	PAE	增益（dB）	文献
06	东芝	Kazutaka	功率合成	81.8W	8.3G	34%	3	8
07		Yamamoto	功放	60W	X波段	35%	9.6	9
07	三菱	Yamanaka	功放	176W 220W	C波段			10
08	富士通	Kazukiyo	功放	45dBm	2.5G	漏效率50%	17.2	11
08	Cardiff大学	Peter Wright	功放	12W	2.1G	漏效率84%		12
09		C.Meliani	4管功率合成	2.5-4.5W	2-10G 车载雷达天线	20%	7-11	13
09	俄亥俄州大学	Seok Doo	B类功放	17.8dBm	2	82%		14
09	Ahmed小组	Ahmed	F类功放	40W	2.35G	55.7%		15
09		Micheal Boers	功放	6W	1G	85%		16
10		Mingqichen	带宽增加技术	20dBm 33dBm	1-25G		13	17
10	加拿大通信研究中心	李明	AB类功放	39dBm	10G	31%		18
10	Santa Barbara大学	Valialah Zomorrodian	E类功放	33dBm 36dBm	4G	61% 57%		19
10	Army实验室	Ali M Darwishl	宽带放大		0.1-20G		10±2	20

2006年，东芝公司的Kazutaka Takagi等人运用功率合成技术，采用两只11.52mm栅宽的GaN HEMT达到了8l.3W的输出功率，在8.3GHz频率、Vds=30V偏置条件下，功率附加效率达到34%，增益压缩为3dB[8]。

2007年，Yamamoto等人报道了工作在X波段下的GaN/AlGaN HEMT功率放大器输出功率为60W，线性增益9.6dB，功率附加效率达到35%[9]；同年，三菱电子的Yamanaka等人制备的单管功率放大器在C波段输出功率达到176W，功率密度为7W/mm，采用双管功率合成技术制备的功率放大器将输出功率提升至220W[10]。

2008年，富士通公司的Kazukiyo Joshin等人报道的GaN功率放大器在2.5GHz工作频率下输出功率为45dBm，线性增益为17.2dB，漏极效率为50%，放大器在200℃的结温下寿命达到1×106小时 [11]；同年，Cardiff大学的Peter Wright等人将这一指标刷新为在2.1GHz下，输出功率12W，漏极效率为84%[12]。

2009年，C. Meliani等人运用4管功率合成技术，在2GHz到10GHz频段下，小信号增益为7-11dB，输出功率为2.5W-4.5W，在最大输出功率情况下，功率附加效率超过20%[13]；

俄亥俄州立大学的Seok Joo Doo等人设计的B类GaN功率放大器在2GHz工作频率下，输出功率达到17.8dBm，功率附加效率为82%[14]；Ahmed Al Tanany所在小组采用GaN PHEMT设计的F类功率放大器在2.35GHz下，输出功率为40W，漏极效率为60.8%，功率附加效率为55.7%[15]；Michael Boers等人报道了功率附加效率超过85%的GaN功率放大器，工作频率为1GHz，输出功率为6W[16]。

2010年，Mingqi Chen等人运用带宽增加技术，获得1-25GHz的带宽，最大增益达到13dB，三阶截止点最大功率输出为33.5dBm，1 dB压缩点的最大功率输出为20 dBm[17]；同年，加拿大通信研究中心的李明等人运用倒装芯片，在10GHz频率下，AB类功放输出功率达到39dBm，而PAE为31%[18]；加利福尼亚Santa Barbara大学的Valiallah Zomorrodian等人设计的E类功率放大器在4GHz下，0.5mm栅宽的HEMT在25V漏偏压下，输出功率为33.8dBm，PAE达到61%，而1mm栅宽的HEMT在30V漏偏压下，输出功率为36 dBm，PAE为57%[19]； Army研究实验室的Ali M. Darwishl等人报道了0.1-20GHz的GaN基宽带放大器，增益为10±2dB[20]。

三、发展态势

尽管GaN微波功率合成技术的研究取得了很多进展，但目前报道的GaN微波功率合成电路一些参数指标与理论值还存在不小的差距，是仍存在不少问题。这主要是由于目前GaN在材料生长、器件工艺、设计制造等方面还不够完善，阻碍了GaN器件和电路的发展。要充分发挥GaN材料、器件和电路的巨大潜力和优势，除了提高工艺水平和优化器件结构(如减小器件缺陷，抑制电流崩塌效应、提高击穿电压等)之外，在理论上必须对 GaN HEMT器件机理和器件模型进行深入细致的研究，以获得最佳的设计方案，缩短材料和器件的研制和实验周期，为大规模器件和电路的设计和生产提供必要的数据。

四、主要参考文献

[1] 冯震，王勇，王志国，等.X波段AlGaN/GaN HEMT功率器件.IC-China 2005 暨北京微电子国际研讨会论文集，2005:234-236.

[2] 姚小江，李宾，陈延湖，等.基于AlGaN/GaN HEMT的C波段混合集成功率合成放大器的设计.半导体学报，2007，28(4):514-517.

[3] 王帅，陈堂胜，张斌，等.7.5-9.5GHz AlGaN/GaN HEMT内匹配微波功率管.固体电子学研究与进展.2007，27(2):159-162.

[4] 曾轩，陈晓娟，刘果果，等.基于AlGaN/GaN HEMT 的X波段内匹配功率合成放大器的设计. 电子器件，2008，31（6）：1794-1796.

[5] 顾卫东,张志国. X波段大栅宽高输出功率AlGaN/GaN HMET的研究.半导体技术.2009，34（11）：1082-1084.

[6] 任春堂，陈堂胜，焦刚，等.磁控溅射AlN介质MIS栅结构的AlGaN/GaN HMET.固体电子学研究与进展.2009，29（3）：330-333.

[7] 孙春妹，钟世昌，陈堂胜，等. Ku波段20W AlGaN／GaN功率管内匹配技术研究.电子与封装.2010，10（6）：23-25.

[8] Kazutaka Takagi, Kazutoshi Masuda，Yasushi Kashiwabara, et al. X-band AlGaN/GaN HEMT with over 80W Output Power. IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium，2006:265-268.

[9] T. Yamamoto, E.Mitani，K.Inoue, et al. A 9.5-10.5GHz 60W AlGaN/GaN HEMT for X-band High Power Application. Proceedings of the 2nd European Microwave Integrated Ci

rcuits Conference，2007:173-175.

[10] K. Yamanakal, K. Mori1, K. Iyomasa1, et al. C-band GaN HEMT Power Amplifier with 220W Output Power. IEEE International Microwave Symposium, 2007:1251-1254.

[11] Kazukiyo Joshin, Toshihide Kikkawa. High-power and High-efficiency GaN HEMT Amplifiers. IEEE Radio and Wireless symposium, 2008:65-68.

[12] Peter Wright, Aamir Sheikh, Chris Roff, et al. Highly Efficient Operation Modes in GaN Power Transistors Delivering Upwards of 81% Efficiency and 12W Output Power. Microwave Symposium Digest, 2008:1147-1150.

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