近期,微电子所高频高压中心GaN研究团队在刘新宇研究员带领下,在高频高效率器件、限幅器、电源驱动电路等研究方向进行了创新性研究和探索,取得了重要进展。

在高频高效率器件方向,团队采用LP-SiN结合ALD超薄栅介质技术制备的0.15μm 栅长AlGaN/GaN毫米波 MIS-HEMT功率器件,解决了现有HEMT器件肖特基漏电大、效率低的问题,在连续波测试条件中,30GHz的功率附加效率(PAE)为49.7% 功率密度为5.90W/mm。

在限幅器方向,团队采用全GaN SBD-MMIC技术的限幅器, 利用全GaN肖特基势垒二极管来实现的单片微波集成电路(全GaN SBD-MMIC)技术,研制的限幅器显示出高在连续波模式(CW)下,入射功率超过50W脉冲模式下为125 W,插入损耗(IL)小于1dB@8GHz,具备39纳秒的创纪录的快速恢复时间,拓展了宽禁带材料在GaN SBD的限幅器领域的应用前景。

在电源驱动电路方向,团队开发了一款GaN基单片包络跟踪电源调制器,集成了传统GaN开关功率放大器所需要的预防大级并采用了双端反自举电路,实现了对20MHz带宽,6.5dB的射频包络信号的跟踪;采用电源调制器对连续F类PA进行供电实现包络跟踪功率放大器应用,在2.7GHz载波频率,20MHz信号带宽,6.5dB峰均功率比及30.6dBm的输出功率下,系统效率比单独PA效率提升8%。

上述研究得到多个重要任务的支持,成果分别以Ka band GaN MIS-HEMT with ALD-SiN gate dielectric and Lp-SiN passivation layer、Record Fast Recovery Performance from Microwave High-Power Limiters with All-GaN SBD-MMIC Technology:39ns@100W和A Monolithic GaN Based Supply Modulator with Dual-Antibootstrap Level Shifter for Envelope Tracking Application为题入选2024年国际微波会议(IMS2024),并应邀作口头报告。

2024国际微波研讨会(International Microwave Symposium 2024) 是由电气与电子工程师学会(IEEE)微波理论和技术分会(MTT-S)主办,已有70多年历史,涵盖了射频、微波、毫米波等领域,从模块设计到系统应用的所有方向,是微波领域的顶级会议之一。

图1 毫米波器件功率测试结果

图2 限幅器技术路线及性能指标

图3 包络跟踪功率放大器效率提升曲线(对比F类功率放大器)