GaN HEMT的大信号（RF PA）性能

来源：Novel Drain-Connected Field Plate GaN HEMT Designs for Improved VBD −RON Tradeoff and RF PA Performance (IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES)

使用 TCAD 提取的 I-V 和 C-V 曲线族，结合 Keysight 的 IC-CAP 器件建模套件和先进SPICE模型用于高电子迁移率晶体管 (ASMHEMT) 模型卡，提取 HEMT 模型卡。此外，模型卡提取的 S 参数也与 TCAD 提取的 S 参数相匹配。完成直流、C-V 和 S 参数匹配后，使用 Keysight 的 Advanced Design System (ADS) 对工作于 AB 类偏置的功率放大器进行负载拉动模拟。

对于提出的和传统的场板设计的射频功放分析，使用最佳器件的I-V和C-V数据来使用Keysight的IC-CAP设备建模套件和ASMHEMT模型来开发HEMT模型参数。优化过程早已详细介绍，其中最大化了开态性能，同时保持击穿电压固定为150伏。图11显示了所有优化器件的TCAD和模型数据的良好匹配。此外，还使用模型卡提取的S参数与TCAD提取的S参数进行了匹配。图12(a)–(d)清楚地显示了通过TCAD和模型提取的S参数在所研究的四个配置中的良好匹配情况。在直流、C-V和S参数匹配之后，使用Keysight的ADS进行了负载拉伸模拟，用于PA的AB类工作，如图12(e)所示。在PA设计中，模拟中使用了25毫米的晶体管宽度。

对于射频功放分析，通过调节输入和输出匹配网络进行负载拉伸模拟，以便将最大功率传递给负载。图13(a)显示了具有不同场板配置的HEMT的输出功率与工作频率的关系。增益和漏极效率在图13(b)和©中进行了比较。与没有场板的器件相比，侧向场板器件显示出较低的输出功率、增益和漏极效率。这是由于侧向场板器件中的漏极电容非常高，而在没有场板的情况下则不存在。这是在高频率下使用侧向场板器件的瓶颈。然而，在垂直场板设计的情况下，场板是垂直于沟道实施的。带有垂直场板的器件在较低频率下显示出较高的输出功率。在较高频率下，垂直场板与无场板的情况之间没有明显的差异。就增益和漏极效率与频率的关系而言，垂直场板和无场板之间没有明显的差异。在这种情况下，由于场板垂直于沟道，场板与沟道的电容分量得到减缓。因此，大信号FOM参数与无场板情况非常接近。另一方面，明显发现双场板设计在射频功放性能的所有方面都优于其他设计。它提供了比其他设计更高的输出功率和增益。尽管双场板设计包含了侧向场板与沟道的电容分量，但其具有高度缩放的特性相对于给定击穿电压的其他设计来说具有显著改进的特点。能够进行缩放的能力转化为更高的开态电流，进而产生更高的输出功率、增益和效率。值得强调的是，与其他设计相比，双场板HEMT的输出功率、漏极效率和增益随频率的衰减最小。这归因于双场板的高线性米勒电容特性。

文章研究了什么

• 漏极连接场板型氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）的击穿行为。
• 提出了新颖的垂直和双场板设计，以提高击穿电压。
• 研究了横向和垂直场板配置对击穿电压的影响。
• 优化了场板长度，以最大化击穿电压。
• 分析了不同场板设计下导通电阻（RON）和击穿电压（VBD）之间的权衡关系。

总体而言，该研究旨在深入了解氮化镓HEMT的击穿行为，并提出新的场板结构以改善其击穿电压和射频功率放大器特性。研究中进行的模拟和分析为设计和优化具有漏极连接场板的氮化镓HEMT提供了有价值的信息。

文章的创新点

• 提出了新颖的垂直和双场板设计，用于漏极连接场板型氮化镓HEMT。与没有场板的设计相比，这些设计在击穿电压方面提供了显著的改进。

• 通过将通道电场垂直均匀分布到氮化镓缓冲区域，减轻了通道电场的影响，从而改善了击穿电压。

• 演示了具有双场板和垂直场板设计的HEMT的改进射频功率放大器（PA）性能，包括线性度、输出功率、效率和PA增益的提高。

• 识别了横向场板设计的局限性，例如米勒电容的增加和横向缩放的限制。

• 使用TCAD模拟和负载拉伸模拟来分析和比较不同场板配置的性能。

以上创新内容展示了对漏极连接场板型氮化镓HEMT的改进设计和性能分析，为该领域的研究和应用提供了有价值的贡献。

文章的研究方法

• 该文章采用TCAD（技术CAD）模拟来深入了解基于漏极连接场板的氮化镓HEMT的击穿行为。通过TCAD模拟，研究了不同场板配置下的HEMT的射频功率放大器（PA）性能。
• 使用经过校准的TCAD设置，考虑了氮化镓的关键电场值和Chenoweth定律对冲击电离的影响。
• 模拟中所研究的HEMT结构基于掺碳HEMT堆栈，并通过实验数据进行了校准。
• 使用TCAD提取的I-V和C-V曲线来提取HEMT模型卡，并与TCAD提取的S参数进行匹配。
• 在直流、C-V和S参数匹配之后，使用Keysight的高级设计系统（ADS）进行负载拉伸模拟，对AB类偏置的功率放大器进行仿真。

以上是该文章所采用的研究方法的概述。这些方法充分利用了TCAD模拟和负载拉伸模拟的工具和技术，以深入研究和分析基于场板的氮化镓HEMT的击穿行为和射频功率放大器性能。

文章的结论

该文章的结论包括：

• 文章得出结论，对于基于漏极连接场板的氮化镓HEMT，所提出的双场板设计在VBD-RON权衡、小信号射频性能和广泛频率范围内的射频功率放大器（PA）性能方面都有显著的改进。
• 利用TCAD模拟，对基于漏极连接场板的氮化镓HEMT的击穿行为进行了深入的物理分析。
• 横向场板设计显示出随着场板长度增加而显著下降的击穿电压，而垂直场板设计将空间电荷分散在氮化镓缓冲层中，从而改善了击穿电压。
• 然而，垂直场板设计中的击穿电压受到缓冲层厚度的限制。
• 所提出的双场板设计允许电场在栅极和漏极边缘之间共享，实现HEMT的缩放而不影响击穿性能。
• 提出了设计准则和最佳设计窗口，以实现最佳性能。

以上是该文章的结论总结。研究结果表明，对于基于漏极连接场板的氮化镓HEMT，双场板设计在击穿电压和射频功率放大器性能方面具有显著的改进，并提供了设计指导和优化窗口，以实现最佳性能。