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X波段GaN基微波功率放大器的设计魏涛【摘要】An X-band GaN power amplifier is developed. Bias networks, matching networks and stability networks are discussed, and power synthesis of six GaN HEMTs is conducted. By biasing the amplifier at VGS=-3.2 V, VDS=6 V and IDS=200 mA, the developed power amplifier has 20.380 dB maximum linear gain and has exhibited 35.268 dBm（about 3.36 W） power out at 8 GHz.%给出了一种X波段GaN基功率放大器的设计方法。
研究了相关的偏置电路、匹配网络以及稳定性网络，实现了6个GaN HEMT 器件的功率合成。
该方法在偏置VGS=3．2V，VDS=6V，IDS=200mA，频率为8GHz时，可以仿真得到的放大器增益为20．380dB，饱和输出功率可以达到35．268dBm（约为3．36W）。
【期刊名称】《物联网技术》【年(卷),期】2012(002)005【总页数】3页(P61-63)【关键词】GaN;HEMT;功率合成;X波段;功率放大器【作者】魏涛【作者单位】电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054【正文语种】中文【中图分类】TN7210 引言随着无线通讯技术发展的突飞猛进，作为其重要部件的功率放大器的需求也日益增多，频率更高和功率更大的器件已成为目前各国研究的主要热点之一。
GaN材料是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，其禁带宽度大、耐高压、耐高温、抗辐射，非常适合制备高频、高压、高温、大功率、抗辐射的新一代微波功率器件和电路。
第三代半导体GaN 材料特性对比◎刘悦董政鑫郭建达陈冲（作者单位：吉林建筑大学）随着对大功率、散热、抗干扰器件的要求越来越高，以GaN为代表的第三代半导体材料登上了舞台，它们共同的特点即是禁带宽度大，抗辐照能力强，热稳定性好、化学稳定性好，加上良好的散热性，使得第三代半导体在大功率及特殊环境下的应用前景十分广阔。
一、GaN 材料概论自然界中，我们将材料按其导电性能分为三类，分别是导体、半导体和绝缘体，与导体和绝缘体相比，半导体具有特殊的电学性质，其电阻率受材料自身纯度，外界温度，辐射等强烈影响，固体物理中的能带理认为导体中的电子未能填充满其所在整个允带，允带中的电子可以在外加电场的作用下，产生定向移动，进而改变自身在K 空间中的能量状态，半导体和绝缘体其允带中充满了电子，电子虽然在外加电场中发生移动，但从整体来看其在K 空间中能量状态没有发生变化，所以对外不显电性，同时，由于半导体的禁带宽度较小，在外加光照或电流能能量注入的情况下，部分电子可以获得能量跨越禁带宽度，进入上层允带，这样上下两个允带都有“空余位置”供电子用来移动，其性质趋近于导体性质，K 空间中的能量状态可以发生改变，半导体对外显示导电性质。
绝缘体由于禁带宽度过大，所以很难改变其导电的性质，综上，我们可知半导体的这种可调制的导电性，具有重要的研究意义。
目前，半导体材料主要分为三代，第一代半导体材料主要以Si、Ge 半导体材料为主，Ge 半导体材料由于的高温和抗辐射性能较差，上世纪60年代后期Si 逐渐成为第一代半导体的代表，第二代半导体材料主要是指化合物半导体，如GaAs、InSb 为代表的二元化合物半导体，其中GaAs 为直接带系半导体，其导带底和价带顶都位于K 空间的原点位置，且禁带宽度仅为1.43电子伏，这些性质非常利于GaAs 的光学应用，以GaAs 为代表的第二代半导体主要用于制作高性能的毫米波、微波或光电子器件。
第三代半导体主要指的是以GaN，SiC，InN 化合物为代表的宽禁带材料，相比于第二代半导体，其具有高电子迁移率，高电子浓度，耐高温，抗辐射等优点，更适宜于制作高温、高频以及大功率器件，目前，实验测得GaN 材料的结构主要有以下三种，分别是纤锌矿结构、闪锌矿结构以及盐矿结构，在常温常压下，GaN 主要以闪锌矿和纤锌矿的结构存在。
第三代半导体材料双雄并立，难分高下作者：来源：《今日电子》2013年第01期进入21世纪以来，随着摩尔定律的失效大限日益临近，寻找半导体硅材料替代品的任务变得非常紧迫。
在多位选手轮番登场后，有两位脱颖而出，它们就是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）——并称为第三代半导体材料的双雄。
SiC早在1842年就被发现了，但直到1955年，才有生产高品质碳化硅的方法出现；到了1987年，商业化生产的SiC进入市场；进入21世纪后，SiC的商业应用才算全面铺开。
相对于Si，SiC的优点很多：有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高一倍的饱和漂移速度。
因为这些特点，用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下。
微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。
42GHz频率的SiCMESFET，用在了军用相控阵雷达、通信广播系统中，用SiC作为衬底的高亮度蓝光LED则是全彩色大面积显示屏的关键器件。
现在，SiC材料正在大举进入功率半导体领域。
一些知名的半导体器件厂商，如ROHM，英飞凌，Cree，飞兆等都在开发自己的SiC功率器件。
英飞凌公司在今年推出了第五代SiC肖特基势垒二极管，其结合了第三代产品的低容性电荷（Qc）值与第二代产品的正向电压（Vf）水平相结合，使PFC电路达到最高效率水平，击穿电压则达到了650V。
飞兆半导体发布了SiCBJT，其实现了1200V的耐压，传到和开关损耗相对于传统的Si器件降低了30%～50%，从而能够在相同尺寸的系统中实现高达40%的输出功率提升。
ROHM公司则推出了1200V的第二代SiC制MOSFET产品，其实现了SiC-SBD与SiC-MOSFET的一体化封装，与Si-IGBT相比，工作损耗降低了70%，并可达到50kHz以上的开关频率。
值得一提的是，IGBT的驱动比较复杂，如果使用SiC基的MOSFET，则能使系统开发的难度大为降低。
现在，SiC的市场颇为看好，根据预测，到2022年，其市场规模将达到40亿美元，年平均复合增长率可达到45%。
氮化镓材料特性及AlGaN/GaN HEMT器件工作原理发布时间：2022-06-22T01:24:39.066Z 来源：《中国科技信息》2022年2月第4期作者：杨明越肖燕林春凤[导读] 具有宽带隙、高电子饱和速度和高击穿电压等良好特性的氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料——宽禁带半导体材料之一杨明越肖燕林春凤中国振华集团永光电子有限公司摘要：具有宽带隙、高电子饱和速度和高击穿电压等良好特性的氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料——宽禁带半导体材料之一，推动微电子领域和光电子学领域向前迈出了极为重要和有重大意义的一步，而以GaN材料制造的功率半导体器件AlGaN/GaN HEMT器件对半导体器件领域的发展也有着极其重大的影响。
本文概述了GaN材料的基本特性以及AlGaN/GaN HEMT 器件的工作原理。
氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料——宽禁带半导体材料之一，具有许多良好的特性，使得氮化镓材料成为推动光电子、高温大功率器件和高频微波器件不断向前发展的重要材料。
GaN材料使得光电子学方向有了许多突破性进展。
如：蓝光LED、CW蓝光激光器、GaN紫外探测器等。
GaN材料的优势主要有以下几个方面：（1）禁带宽度比较大GaN的禁带宽度高达3.4eV，大约是第一代半导体材料Si的3倍，第二代半导体材料GaAs的2.4倍；抗辐照能力也远远大于Si和GaAs。
所以GaN基宽禁带半导体器件对于推动空间科学和技术领域的发展有着极其重要的作用。
又因为 GaN材料本征载流子浓度很低，在一定的温度范围内，能够较为精准的控制自由载流子的浓度，所以GaN基宽禁带半导体器件在高温条件下仍然具有稳定性。
（2）相对介电常数较低GaN材料的相对介电常数是9.8，比之第一代半导体材料Si低了1.6，更是第二代半导体材料GaAs低了3.3左右。
电容C与介电常数ε的关系：C=εS/4πkd，电容与介电常数成正比；所以在掺杂浓度和外加电压相同的情况下，GaN材料构成的PN结电容比Si和GaAs都小，更适用于高频。
第三代半导体材料氮化镓的拉曼光谱分析作者：***来源：《无线互联科技》2024年第03期摘要：第三代半导体材料中氮化镓是高频电子器件、大功率电子器件和微波功率器件制造领域的首选材料。
为了实现高质量氮化镓材料的外延生长，并且精准表征氮化镓外延材料的特性，文章对氮化镓外延材料进行了深入的拉曼光谱分析。
实验结果表明，对氮化镓外延材料进行拉曼光谱分析时最佳扫描范围是100～1 000 cm-1、最佳曝光时间是5 s、最佳光孔直径为100 μm，从而更精准地表征氮化镓外延材料，进而对微波功率器件的性能提升起到推动作用。
关键词：第三代半导体材料；氮化镓；拉曼光谱中图分类号：TN304 文献标志码：A0 引言第三代半导体材料出现后，逐步形成以氮化镓材料［1］为代表的一系列半导体材料，其中还包括碳化硅和金刚石等。
第三代半导体材料有其独有的特性，比如禁带宽度大、电子迁移率高以及击穿场强大等［2］。
在半导体材料进行异质外延时，有2种因素会导致外延层产生应变。
拉曼光谱测试仪就是利用这一原理进行工作。
这2种因素包括：衬底材料的膨胀系数与外延层的膨胀系数存在较大差异、衬底材料的晶格常数和外延材料的晶格常数存在较大差异。
在半导体中引入残余应力，会使得半导体能带结构以及外延层的结构性质产生变化，当应力较大时还会引起外延层产生裂纹。
拉曼峰的位置能够显示样品的成分分布，其中包括化学组成、结构和形态等。
峰位位移能够显示样品的属性分布，其中包括应力和温度。
拉曼散射光谱在研究材料各项性能和晶格等方面起到很大作用，其优势在于非接触性、非破坏性，并且不使用特殊的样品制备［3-4］。
氮化物半导体中存在特殊的化学键，这种化学键属于共价键和离子键的混合型，并且很容易受激光辐射，正因如此更适合用拉曼散射来进行分析［5］。
若要提升微波功率器件的性能，需要从提高第三代半导体材料氮化镓的晶体质量出发，对氮化镓材料进行深入详尽的拉曼光谱分析。
1 实验方法氮化镓外延材料中产生残余热应变，这是由衬底材料的膨脹系数与氮化镓外延层的膨胀系数存在巨大差异造成的。
第三代半导体功率器件随着半导体技术的不断发展和进步，传统的硅基功率器件已经不能完全满足人们对于高效、低能耗的需求。
因此，第三代半导体功率器件作为一种新型的半导体组件，正在逐渐崭露头角并且得到了广泛的关注和应用。
接下来，本文将围绕第三代半导体功率器件展开阐述。
第一步：什么是第三代半导体功率器件？第三代半导体功率器件指的是采用了GaAs、SiC、GaN等新型材料的功率器件。
其中，GaAs指的是砷化镓（Gallium Arsenide）,SiC指的是碳化硅（Silicon Carbide）,GaN指的是氮化镓（Gallium Nitride）。
相较于传统的硅基功率器件，第三代半导体功率器件具有电子迁移速度快、抗电荷耗散能力强、能耗低、损耗小等特点，因此在新能源、智能网联等领域都有广泛的应用。
第二步：第三代半导体功率器件的优点是什么？1. 高效：第三代半导体材料具有较高的电子迁移速度和迁移率，因此能够较快地在电路中传输电子，从而提高了元器件的工作效率和能量转换效率。
2. 抗电荷耗散能力强：第三代半导体材料具有高电场承受能力，能够更好地抵抗电子的捕捉和缺陷形成，从而降低元器件的泄漏电流和损耗。
3. 能耗低：第三代半导体材料的电子能带宽度较小，因此可以实现更低的串联电阻，降低功率器件的导通电压和开关损耗，从而实现更高的电能利用效率。
4. 损耗小：由于第三代半导体材料的元器件特性具有速度快、失真小、响应速度快等特点，因此可有效地降低电路损耗和谐波失真，提高电路的运行稳定性与可靠性。
第三步：第三代半导体功率器件的应用场景1. 新能源领域：太阳能、风能等新能源领域需要高效、稳定的功率器件来进行能量转换和调节，而第三代半导体材料可以满足这些需求。
2. 汽车电子领域：随着汽车电子的智能化发展，对于功率器件的高效、节能、稳定的要求也变得越来越高，第三代半导体材料可以满足这些需求。
3. 智能网联领域：智能网联领域需要高效的功率器件来进行通讯和传输，第三代半导体材料是实现这个目标的有效途径。
基金项目：国家自然科学基金重点基金（60736033）；西安应用材料创新基金项目（XA-AM-200703）定稿日期：2008-10-10作者简介：张金风（1977-），女，陕西铜川人，博士，副教授，研究方向为GaN 器件机理等。
1引言在化合物半导体电子器件中，高电子迁移率晶体管（HEMT ）是应用于高频大功率场合最主要的器件。
这种器件依靠半导体异质结中具有量子效应的二维电子气（2DEG ）形成导电沟道，2DEG 的密度、迁移率和饱和速度等决定了器件的电流处理能力。
基于GaN 及相关Ⅲ族氮化物材料（AlN ，InN ）的HEMT 则是目前化合物半导体电子器件的研究热点。
与第2代半导体GaAs 相比，GaN 在材料性质方面具有禁带宽、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐照能力强等优势，因此GaN HEMT 的高频、耐压、耐高温、耐恶劣环境的能力很强；而且Ⅲ族氮化物材料具有很强的自发和压电极化效应，可显著提高HEMT 材料结构中2DEG 的密度和迁移率，赋予GaN HEMT 非常强大的电流处理能力。
根据各种半导体的材料性能，从输出功率和频率的角度给出了具体应用范围。
显然，GaN HEMT 非常适合无线通信基站、雷达、汽车电子等高频大功率应用；在航空航天、核工业、军用电子等对化学稳定性和热稳定性要求很高的应用场合，GaN HEMT 也是理想的候选器件之一。
自1993年第一只GaN HEMT 问世以来[1]，对它的研究速度很快且成果丰富，但即便是已发展到初步商用的今天，该领域仍存在大量的科学问题，表现出“需求超前于技术，技术超前于科研”的特点。
进入21世纪以后，GaN HEMT 的材料结构以AlGaN/GaN异质结为主，器件工艺和热处理手段基本成熟，主要研究热点集中在通过器件结构设计和材料结构纵向设计来提高GaN HEMT 的频率特性和功率特性，削弱和消除电流崩塌等相关可靠性问题。
在此将全面综述这些研究进展。
广州创亚企业管理顾问有限公司第三代宽禁半导体材料GaN （氮化镓）研究分析目录contents一、5G应用的关键材料（一）认识第三代半导体材料1、半导体材料的由来2、第一代半导体材料3、第二代半导体材料4、第三代半导体材料（二）第三代半导体材料的特点1、碳化硅（SiC）2、氮化镓（GaN）二、氮化镓（GaN）（一）GaN技术的发展历史（二）GaN的优点1、GaN 在电力电子领域：高效率、低损耗与高频率2、GaN 在微波射频领域：高效率、大带宽与高功率3、与第二代半导体材料GaAs更具优势三、GaN市场（一）市场空间1、0~900V的低压市场空间宏大2、GaN RF 市场即将大放异彩（二）射频是主战场1、GaN 是射频器件的合适材料2、5G应用的关键技术3、GaN 电力电子器件典型应用：快充电源四、GaN产业链（一）GaN工艺与流程（二）芯片制造过程1、流程2、GaN衬底3、GaN外延片4、GaN外延使用不同衬底的区别5、GaN器件设计与制造由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。
硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。
元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。
中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%～99.9999999%)的锗开始的。
采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。
以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。
2、第一代半导体材料第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）元素半导体。
第一章引言GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗腐蚀能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有广阔的应用前景。
GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN 具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。
在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。
它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。
因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。
其化学稳定性和热稳定性尤其有利于制造高温器件。
其物理特性，包括宽禁带、高击穿、高饱和速度等，更有利于制造微波功率器件。
更值得一提的是，由于A1x Ga1-xN，InxGa1-xN的禁带宽度可调，是可见光、紫外线光电子器件的理想选择，工艺技术上，成功地实现了传统的低压、原子层的CVD淀积和A1GaN/InGaN的掺杂，从而获得了高质量GaN-A1GaN异质结和 A1GaN二维电子气，优良的二维电子气传输特性使其能够制造更加独特的光电子器件。
近年来，在材料生长方面的进展也很快，日本住友电气公司(SEI)已经首次生长2英寸单晶GaN衬底。
同蓝宝石相比，GaN能导电，便于顶层和底层同时制作电极，节省面积;衬底和外延层的材料相同，易于解理衬底和外延层的位错少，可延长激光器的寿命。
该公司计划2001年开始出售GaN材料，这种单晶的商品化不仅加快激光器的开发，而且也有利于GaN电子器件的开发。
用于GaN器件的外延材料生长，经常采用MBE或者MOCVD技术。
其外延材料结构大多属于六方或者立方型的晶体结构，前者生长在蓝宝石或者6H/4H SiC衬底上，当前，大多数器件采用此类衬底。
