AlGaN/GaN HEMT功率器件测试及封装技术研究

论文摘要

近年来,随着半导体技术的飞快发展,以及材料生长技术的突破,氮化镓（GaN）作为第三代半导体,已逐渐显示出其优势,二维电子气密度大和饱和电子迁移率高等,基于氮化镓（GaN）的研究也越来越多。在通信、雷达等微波领域,对微波功率器件的性能要求也越来越高,基于宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）的微波功率器件正在成为研究热点。本文就是在此研究背景下对AlGaN/GaN异质结微波功率器件的材料制备以及器件工艺进行了阐述,对GaN功率器件的基本特性,包括:直流特性,电流崩塌,击穿电压等进行了分析和表征。在此基础上着重对氮化镓（GaN）功率器件的微波特性测试进行了介绍,这其中包括:在片测试、分离器件测试、小信号测试、大信号测试、负载牵引（Load Pull）测试等,从测试原理,测试方案,到测试系统进行了详细的分析。由于分离器件的小信号测试和大信号测试并没有可以直接采用的定制方案,所以本文设计了用于3.7-4.2GHz的测试夹具。虽然采用SOLT同轴校准测试简单,但是随着频率的逐渐提高,测试夹具的影响已经不能忽略,所以本文考虑利用TRL校准方法。根据矢网的误差模型,设计了0-6GHz的TRL校准件,包括:直通（Thru）、短路（Short）、断路（Open）、负载（Load）、延迟线（Delay Line）。利用此校准件对GaN HEMT 9mm器件进行了TRL校准测试,增益S21为7.4dB,比同轴校准测试结果6.6dB要高。可以发现在4GHz时TRL校准测试消除了一部分夹具损耗,且对直通件进行评估发现,测量参考面确实移动到了被测件附近。另外,本文也设计了可拆卸的夹具,用于去嵌入测试,但是对半夹具测试后,发现损耗比直通件要大很多,这说明实际中很难得到半夹具的准确S参数。最后,利用管壳的电路模型进行仿真,对QF051管壳的寄生参数进行提取,仿真得到其4GHz时的S11,且其结果与TRL校准实测相差不大,但与同轴校准测试相差很大,这进一步说明TRL校准测试确实更加准确。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 GaN 器件国内外研究现状
• 1.2 本论文的主要研究意义
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 AlGaN/GaN HEMT 功率器件介绍
• 2.1 AlGaN/GaN 材料介绍
• 2.1.1 AlGaN/GaN 材料衬底选择
• 2.1.2 AlGaN/GaN 材料自发极化和压电极化
• 2.1.3 AlGaN/GaN 异质结材料工作机理
• 2.1.4 AlGaN/GaN 异质结材料二维电子气（2DEG）
• 2.1.5 AlGaN/GaN 异质结材料结构和制备
• 2.2 AlGaN/GaN HEMT 器件的制造
• 2.2.1 AlGaN/GaN HEMT 器件制作关键工艺
• 2.2.2 本文AlGaN/GaN HEMT 器件的制造工艺
• 2.3 AlGaN/GaN HEMT 器件在片测试分析
• 2.3.1 GaN 器件直流特性测试
• 2.3.2 器件电流崩塌效应测试分析
• 2.3.3 击穿电压测试
• 2.4 本章小结
• 第三章 微波测试基础
• 3.1 散射参数（S 参数）基础
• 3.1.1 传输线方程
• 3.1.2 S 参数的定义
• 3.2 S 参数的性质
• 3.2.1 S 参数特点
• 3.2.2 传输参量（T 参数）与S 参数的相互关系
• 3.3 S 参数测试系统组成
• 3.3.1 S 参数测量系统
• 3.3.2 矢量网络分析仪（VNA）
• 3.3.3 射频电缆
• 3.3.4 直流偏置
• 3.4 本章小结
• 第四章 AlGaN/GaN 器件精确测试
• 4.1 AlGaN/GaN 器件在片测试方案
• 4.1.1 管芯S 参数测试和在片测试系统
• 4.1.2 在片小信号测试
• 4.1.3 负载牵引测试系统
• 4.2 AlGaN/GaN 分离器件测试
• 4.2.1 测试内容
• 4.2.2 测试夹具的设计
• 4.3 AlGaN/GaN 分离器件测试矢网校准
• 4.3.1 矢网校准原理
• 4.3.2 SOLT 校准方法
• 4.3.3 TRL 校准及TRL 校准件设计
• 4.4 同轴与TRL 校准测试结果
• 4.4.1 同轴校准测试结果
• 4.4.2 TRL 校准测试结果
• 4.4.3 测试结果比较与研究
• 4.4.5 夹具去嵌入
• 4.5 提取管壳寄生参数
• 4.5.1 管壳S 参数实测
• 4.5.2 管壳寄生参数提取
• 4.6 本章小结
• 第五章 本文总结
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目