面向高性能RF HPA的高能效新型半导体功率器件设计与实验研究

In view of the contradiction relationship between the efficiency and linearity of RF power amplifier, and with the aim to obtain high-efficiency and high-performance simultaneously, the dependent relationship and the sensitive factors of RF HPA on the core power devices will be researched through experimental measurements combined with and modeling simulation. Based on SiC MESFETs and GaN HEMTs, incorporated with the design of the linear zone and the saturated zone, substrate (buffer layer), multi-gate composite structure design, etc., some novel design theories and methods of power semiconductor devices with electric field modulation effect will be established faced to the special demands for the high-efficiency and high-performance RF HPA ,and some optimized device structures will be achieved. The key device technology will be experimental researched for the gate schottky contact process, which can control the knee-voltage effectively, and synchronous expand the linear zone and the saturated zone of the devices. The design and validation of a high-performance RF HPA based on the wide bandgap semiconductor will be carried out further. Through the implementation of this project, the device level theoretical foundation and support technology for high-efficiency and high-performance RF HPA could be established.

针对射频功率放大器效率和线性度之间的矛盾关系，以高能效和高性能并举为设计目标，通过实验测量与建模仿真相结合，研究获得射频功放对核心功率管的依赖关系及其敏感因素；基于SiC MESFET和GaN HEMT，结合器件线性区和饱和区设计、衬底（缓冲层）设计、多栅复合结构设计等，建立面向高效高性能RF HPA特殊需求的新型具有电场调制效应的半导体功率器件设计理论和方法，获得优化的器件结构；突破器件关键工艺，实验研究栅极肖特基接触控制器件膝点电压，并同步扩展器件线性区和饱和区的机理及其工艺；完成基于宽禁带半导体的高性能射频功率放大器设计与验证。通过本项目实施，为进一步高效高性能射频功放设计提供器件级理论基础和支撑技术。

基于AlGaN/GaN HEMT和4H-SiC MESFET器件，提出了多种具有高能效的新型器件结构，分析研究了影响器件能效的主要因素及其机理，建立了高能效射频与微波功率器件设计理论设计方法。. 针对AlGaN/GaN HEMT器件，为了得到器件尺寸等参数对效率的具体影响，首先对器件尺寸等内部参数对阈值电压和跨导等性能参数的影响进行仿真测试，结果表明，栅源电容的影响对输出功率和附加效率的影响占据着主要地位，其中，阈值电压 Vto、峰值跨导Gmmax、源接触电阻Rs、栅源电容C11th等参数，对效率输出有着较大影响。通过优化改进模型中的跨导参数部分，适当的降低峰值跨导并扩展跨导饱和区，有利于管芯效率输出的改善和输出功率的提高。同样，当器件本身栅源/栅漏电容越小时，管芯所能输出的大功率和高效率的能力也会越大。减小源、漏接触电阻，有益于管芯高效率的输出。优化后PAE从最初的50 %增长为70 %。同时，对新型DRBL GaN HEMT进行优化，得到尺寸与PAE的关系，优化后器件的PAE比传统结构的GaN HEMT提高了47.9%。. 针对4H-SiC MESFET器件, 对性能参数和PAE进行仿真，结果表明，在一定条件下，阈值电压的绝对值越小器件PAE的值越大。栅源电容越小更有利于PAE的提高。随着器件最大跨导的增大，器件的PAE呈线性减小的趋势。较大的电阻（栅极接触电阻、源漏端电阻等）都会影响到PAE的提高。饱和漏电流、击穿电压越大，器件的PAE也就越大。结合性能对PAE的影响，对于栅极结构、沟道结构以及掺杂情况、缓冲层等的结构参数进行了高能效研究，优化了UU结构、PLDC结构、DRUS结构的4H-SiC MESFET， 结果显示PAE比传统结构分别提高了18%、86.38%、85.8%。.最后对阶梯AlGaN外延层新型AlGaN/GaN HEMT进行工艺及实验研究，并测试了匹配封装后的器件性能，实验结果表明在2.7-3.0GHz、漏压28V、栅压-2.5V条件下输出功率可以达到80W，部分频段的功率附加效率大于70%。. 四年来共发表 SCI 论文 10篇，申请国家发明专利7 项，其中授权2项，培养毕业硕士8名。