【摘 要】
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近年来,随着半导体行业的快速发展,氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的代表,凭借着高电子饱和速度、高电子迁移率以及高击穿场强等优点被广泛的应用在射频微波领域中。从先进的相控阵雷达到日常使用的消费类电子产品,在射频前端的收发（T/R）系统中无时无刻都在进行着信号的接收与传输。射频收发（T/R）开关作为射频前端中控制信号导通与关断的关键组件,其射频开关性能与整体系统的性能是密切相关的。在高速通讯的5
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近年来,随着半导体行业的快速发展,氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的代表,凭借着高电子饱和速度、高电子迁移率以及高击穿场强等优点被广泛的应用在射频微波领域中。从先进的相控阵雷达到日常使用的消费类电子产品,在射频前端的收发（T/R）系统中无时无刻都在进行着信号的接收与传输。射频收发（T/R）开关作为射频前端中控制信号导通与关断的关键组件,其射频开关性能与整体系统的性能是密切相关的。在高速通讯的5G时代,工作频段的增多以及Massive MIMO技术的运用,将会激增大量的射频前端器件,同时也使得射频前端系统的设计变得更加复杂。本文不仅对GaN射频开关器件及高集成度器件的机理进行了研究,同时还制备了GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）射频开关器件以及新型射频功放与射频开关集成的可调节一体化器件。主要取得以下研究成果:1、本文研究了GaN HEMT射频开关器件的结构参数（源漏间距、栅长以及栅宽等）对射频开关性能的影响。测试结果表明:当源漏间距从5μm增加7μm时,插入损耗从1.79d B恶化到2.23d B,隔离度均大于15d B,功率容量（1d B功率压缩）保持在38d Bm。减少栅长可以改善器件的插入损耗,同时并不会明显恶化隔离度。当栅宽从100μm增加到800μm时,插入损耗从2.03d B改善到0.58d B,隔离度从15d B降低到2.1d B,功率容量从30d Bm提升到39d Bm。在输入功率为39d Bm时,栅宽为400μm和800μm的器件功率仅压缩0.6d B和0.05d B。本文设计并制备的“I”型栅（栅帽为0μm）将隔离度从13.6d B提升到16.9d B。对于单栅器件而言,双栅器件提升了器件的隔离度性能,但插入损耗发生恶化。通过制备栅极外接电阻能够抑制信号向栅极泄漏,明显改善器件的开关性能。2、针对无线通讯技术不断革新所造成射频前端器件数目增多、复杂度增大等问题,本文设计并制备了射频功放与射频开关集成的可调节一体化器件,采用双栅异偏置结构将射频开关器件与功率放大器集成在一个器件中。当一体化器件用作功率放大器时,在频率为3.6GHz下,漏压固定为30V,射频栅极电压工作在AB类,当直流栅极偏置电压从0V增加到9V时,一体化器件的增益从12.31d B增加到14.63d B,功率附加效率从11.92%增加到39.01%,输出功率密度从0.25W/mm增加到2.41W/mm。当一体化器件用作射频开关器件时,在频率为3.6GHz和40GHz下,相比于常规射频开关器件,一体化器件的隔离度分别提升了21d B和26d B。3、基于一体化器件采用双栅异偏置结构实现集成性及可调节性的功能,本文进一步研究直流栅与射频栅之间的距离对器件性能的影响。当栅栅间距从2μm增加到2.6μm时,关态下的漏电流Id和Ig逐渐增大,峰值跨导、截止频率（fT）在逐渐减少。当一体化器件用作功率放大器时,在频率为3.6GHz、漏压为10V以及直流栅极电压为9V下,随着栅栅间距的增加,增益从15.63d B减少到14.83d B;功率附加效率从60.42%减少到56.71%,输出功率密度从1.25W/mm减少到0.97W/mm。当一体化器件用作射频开关器件时,在频率为40GHz下,随着栅栅间距的增大,三种不同栅栅间距的器件隔离度均大于29d B。
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