專利名稱：高效率開關(guān)模式功率放大器的制作方法
高效率開關(guān)模式功率放大器
背景技術(shù)：
在需要對高頻信號進(jìn)行高效功率放大的應(yīng)用中，開關(guān)模式功率放 大器已經(jīng)吸引了人們很大的關(guān)注。應(yīng)用這種裝置的例子包括用于無線 通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和高級雷達(dá)系統(tǒng)的功率放大器。具體而言，
諸如3G和4G PCS系統(tǒng)、WiFi、 WiMax和數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)的數(shù)字通 信系統(tǒng)都需要高功率、高頻率的功率放大器。對于需要高輸出功率的 應(yīng)用而言，功率放大器占據(jù)了系統(tǒng)總功耗的相當(dāng)大的部分。于是，人 們希望使通信系統(tǒng)中的功率放大器電路的效率最大化。
開關(guān)模式功率放大器，例如工作在D、 E、 F或S類的放大器，通 過最小化晶體管中消耗的功率而提供高效率的放大。由于開關(guān)模式放 大器是高度非線性的，它們尤其適用于與采用恒定包絡(luò)調(diào)制方案的數(shù) 字系統(tǒng)一起使用。不過，通過提供用于從輸入信號提取幅度信息并將 該幅度信息存儲(chǔ)到輸出信號中的附加電路，也可以將開關(guān)模式放大器 用于其他應(yīng)用中。
在E類放大器中，晶體管作為導(dǎo)通-截止開關(guān)而工作，由時(shí)變輸 入信號驅(qū)動(dòng)其狀態(tài)。將晶體管的二進(jìn)制輸出施加到無功負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，該 無功負(fù)載網(wǎng)絡(luò)過濾出晶體管輸出信號的諧波分量，獲得窄帶放大輸出 信號。在E類構(gòu)造中，只要器件上有漏極電壓的時(shí)候，晶體管的漏極 電流就得到最小化(理想情況下為零)，只要漏極電流流經(jīng)器件的時(shí) 候，漏極電壓就得到最小化(理想情況下為零)。由于晶體管中消耗 的功率等于漏極電流和漏極電壓的瞬時(shí)積在一段時(shí)間上的平均值，因 此E類器件中的功率損失理想情況下為零。于是，E類器件在理論上可 以以100%的漏極效率工作。實(shí)際器件的效率4氐于100%。盡管如此， 在E類放大器中可以實(shí)現(xiàn)非常高的效率。
到目前為止，E類放大器一直主要是用窄帶隙(硅和GaAs)雙極 晶體管、M0SFET和MESFET ^支術(shù)實(shí)現(xiàn)的。雙極和M0SFET器件在^f氐于 l.OGHz的頻率表現(xiàn)出高的功率輸出。不過，這種器件不適于要求更高 晶體管開關(guān)速度的更高頻率的應(yīng)用。已經(jīng)使用GaAs MESFET實(shí)現(xiàn)了高 頻放大器(即，能夠工作在l.OGHz或更高頻率下的放大器)。不過，
所得的放大器不能輸出通信應(yīng)用(尤其是基站應(yīng)用)所需的高功率，
而且這種器件的效率4氐于理想值。具體而言，GaAs MESFET器件具有 有限的功率密度和有限的漏極電壓，這限制著它們能夠產(chǎn)出的功率量。
因此，一直對這樣的單級開關(guān)模式放大器電路存在著需求這種 電路能夠在l.OGHz以上的頻率產(chǎn)生超過IOW的輸出功率。此外，還需 要這樣的開關(guān)模式放大器電路其能夠在l.OGHz以上的頻率以超過 75%的功率附加效率工作。

發(fā)明內(nèi)容
一種單級開關(guān)模式放大器電路包括有源器件開關(guān)晶體管，所述有 源器件開關(guān)晶體管被配置為根據(jù)輸入信號的信號電平工作在導(dǎo)通狀態(tài) 或截止?fàn)顟B(tài)。開關(guān)晶體管具有連接到負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的輸出，所述負(fù)載網(wǎng)絡(luò) 對來自開關(guān)晶體管的輸出進(jìn)行濾波以向負(fù)載阻抗提供窄帶寬輸出信 號。被負(fù)載網(wǎng)絡(luò)拒絕的能量存儲(chǔ)在開關(guān)電容器中，在開關(guān)晶體管處于 截止?fàn)顟B(tài)時(shí)該開關(guān)電容器繼續(xù)驅(qū)動(dòng)輸出信號。通過漏極電感器向開關(guān) 晶體管提供漏極電壓，該漏極電感器防止了源電流中的瞬變。在一些 實(shí)施例中，該放大器工作在E類模式中。
在一些實(shí)施例中，開關(guān)模式放大器電路包括輸入匹配級、有源級 和輸出匹配級。有源級包括與開關(guān)電容器并聯(lián)的有源器件開關(guān)晶體 管。該開關(guān)晶體管具有連接到負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載阻抗的輸出。該器件的 輸出包括負(fù)載阻抗兩端上的電壓，該輸出被提供到輸出匹配級，該輸 出匹配級將有源級的輸出阻抗轉(zhuǎn)換成所需的電路輸出阻抗。在其他實(shí) 施例中，可以使用多個(gè)有源晶體管級和匹配網(wǎng)絡(luò)以提供額外的放大器 增益(例如2級放大器等)。
開關(guān)晶體管可以包括在超過1.0 GHz的頻率工作時(shí)能夠保持高漏 極電壓和/或高電流水平的寬帶隙晶體管。在一些實(shí)施例中，開關(guān)晶 體管包括氮化鎵(GaN)基高電子遷移率晶體管(HEMT)。在一些實(shí)施 例中，開關(guān)晶體管包括總的柵極范圍約為3. 6mm的GaN基HEMT。在一 些實(shí)施例中，開關(guān)晶體管包括GaN MESFET。在其他實(shí)施例中，開關(guān)晶 體管包括不同的寬帶隙高頻晶體管，例如SiCMESFET、 SiCLDM0S、 SiC 雙極晶體管或GaN M0SFET器件。
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種單級開關(guān)模式放大器，其能夠在大于
等于1. 0 GHz的頻率下以大于75%的功率附加效率(PAE)產(chǎn)生8瓦或 更高的峰值RF輸出功率。本發(fā)明的實(shí)施例包括經(jīng)調(diào)諧用于在2 GHz
或更高頻率工作的開關(guān)模式放大器。本發(fā)明的特定實(shí)施例包括經(jīng)調(diào)諧 工作在2.8 GHz的開關(guān)模式放大器。
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種單級開關(guān)模式放大器，其能 夠在大于1.0 GHz的頻率下實(shí)現(xiàn)大于39 dBm的功率輸出。在一些實(shí) 施例中，本發(fā)明提供了 一種單級開關(guān)模式放大器，其能夠在大于1. 0 GHz 的頻率下以大于75%的功率附加效率實(shí)現(xiàn)超過39dBm的功率輸出。常 規(guī)的E類放大器在1. 0 GHz或更高頻率下的總功率輸出被限制在2瓦 以下。本發(fā)明的實(shí)施例在類似頻率下能夠?qū)崿F(xiàn)比使用常規(guī)技術(shù)能獲得 的功率輸出超過四倍的功率輸出。
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包括諸如SiC或GaN MMIC的基于寬帶 隙的微波單片集成電路(MMIC)。
通過結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求，本發(fā)明及其目 的和特征將變得更加明顯。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式功率放大器的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式功率放大器的功能框圖。
圖3為可用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)模式功率放大器的高電子 遷移率晶體管的截面圖。
圖4示出了圖1的開關(guān)模式功率放大器的電壓和電流波形。
圖5和6為根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)單級放大器的頻率-輸出功率和頻
率-功率附加效率的曲線圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的60瓦功率放大器的頻率-輸出功率
和頻率-功率附加效率的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
以下參考附圖更為詳細(xì)地描迷本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的實(shí) 施例。但是，可以以許多不同的形式體現(xiàn)本發(fā)明，不應(yīng)將其視為局限
于本文所述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例是為了使本公開充分和 完整，并向本領(lǐng)域的技術(shù)人員完整地傳達(dá)本發(fā)明的范圍。在附圖中， 可能為了清晰起見放大層和區(qū)域的尺寸和相對尺寸。應(yīng)當(dāng)理解，在稱 某一元件或?qū)釉诹硪辉驅(qū)?上"或被"連接"或"耦合"至另一 元件或?qū)訒r(shí)，其可能直接在另一元件或?qū)由希恢苯舆B接或耦合至所 述另一元件或?qū)?，也可能存在中間元件或?qū)印Ｏ喾?，在稱某一元件"直 接在"另一元件或?qū)?上"，"直接連接"或"直接耦合"至另一元件 或?qū)訒r(shí)，則不存在中間元件或?qū)?。如這里所用的，術(shù)語"和/或"包括 一個(gè)或多個(gè)相關(guān)所列項(xiàng)目的任意和所有組合。所有附圖中類似的數(shù)字 指示類似元件。
應(yīng)當(dāng)理解，雖然這里使用術(shù)語第一和第二描述各個(gè)區(qū)域、層和/ 或部分，但這些區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)被這些術(shù)語所限制。這些術(shù) 語僅用于區(qū)分一個(gè)區(qū)域、層或部分與另一個(gè)區(qū)域、層或部分。于是， 以下所稱的第一區(qū)域、層或部分可以被稱為第二區(qū)域、層或部分，類 似地，第二區(qū)域、層或部分可以被稱為第一區(qū)域、層或部分，而不脫 離本發(fā)明的教導(dǎo)。
此外，這里可以用相對性術(shù)語，例如"下方"或"下"以及"上 方"或"上"，描述圖中所示的一個(gè)元件與另一個(gè)元件的關(guān)系。應(yīng)當(dāng) 理解，相對性術(shù)語意在包括除圖中所示取向之外的器件不同的取向。 例如，如果圖中的器件被翻轉(zhuǎn)過來，被描述為在其他元件"下"側(cè)的 元件將會(huì)朝向其他元件"上"側(cè)。因此示范性術(shù)語"下方"可以根據(jù) 圖的特定取向而包括"下方"和"上方"兩個(gè)取向.類似地，如果將 一幅圖中的器件翻轉(zhuǎn)過來，被描述為在其他元件"下"或"下方"的 元件將會(huì)朝向其他元件的"上方"。因此，示范性術(shù)語"下"或"下 方"包括上方和下方兩個(gè)方向。
本文所用術(shù)語僅做描述具體實(shí)施例之用，并非意在限制本發(fā)明。 如這里所用的，單數(shù)形式"一"、"一個(gè)"和"該"意在包括復(fù)數(shù)形式， 除非上下文另有明確指示。還要理解的是，當(dāng)用于本說明書時(shí)，術(shù)語 "包括"表示所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件的存在， 但并不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和 /或其組合的存在或增加。
除非另行定義，這里所用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)與
本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的含義具有相同的含 義。還要理解的是，諸如在通用詞典中所定義的術(shù)語應(yīng)當(dāng)被解釋為具 有與相關(guān)技術(shù)背景中的它們的含義相一致的含義，并且除非在本文中 明確這樣定義，不應(yīng)將其解釋為理想化的或過度形式的意義。
如這里所用的，術(shù)語"三族氮化物"是指在氮和周期表中的三族
元素(通常為鋁(Al)、鎵(Ga)和/或銦(In))之間形成的半導(dǎo)體 化合物。該術(shù)語也指三元或四元4匕合物，例如AlGaN和AlInGaN。如 本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的，三族元素可以與氮結(jié)合形成二元(例如 GaN)、三元(例如AlGaN、 AlInN)和四元(例如AlInGaN)化合物。 這些化合物都具有經(jīng)驗(yàn)式，其中一摩爾的氮與總共一摩爾的三族元素 結(jié)合。因此，常使用諸如AlxGa^N的公式來描述它們其中0 S x S 1。 為了簡便起見，當(dāng)這里使用沒有三族元素(Al、 In和Ga)的相對百 分比的具體i兌明的術(shù)語AlInGaN時(shí)，要理解這是指通式為InxAlyGazN 的化合物，其中x+y+z=l， 0<x<l， 0<y<l，且0<z<l。于是，如這里所 用的，除非另作說明或限制，術(shù)語InAlGaN可以指GaN、 InN、 AIN、 AlGaN、 AlInN、 InGaN和/或AlInGaN。因此，在整個(gè)本i兌明書中可互 換地使用術(shù)語"InAlGaN"、"三族-氮化物材料"和"氮化物基材料"。
E類放大器的工作原理是本領(lǐng)域公知的。例如，在授予Sokal等 人的美國專利No. 3919656中描述了 E類放大器電路。
現(xiàn)在參考圖l,示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的單級E類放大器電路模 型10。盡管圖1中的放大器電路模型10被示為集總元件的集合，該 電路的實(shí)際實(shí)現(xiàn)可以用諸如微帶傳輸線、帶狀線、槽線和/或共面?zhèn)?輸線的分布式元件制成。T. Mader和Z. Popovic的文章"The Transmission Line High Efficiency Class - E Amplifier, 11 (IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 5, No. 9, pp. 290 — 292 (1995))中描述了分布式元件E類放大器電路的設(shè)計(jì)。不過，參考集 總式元件圖可以對該電路的運(yùn)行獲得最好的理解。
放大器10包括晶體管12，晶體管12包括作為導(dǎo)通/截止開關(guān)工 作的寬帶隙晶體管。在一些實(shí)施例中，該晶體管12包括GaN HEMT。晶 體管12或者可以包括不同的寬帶隙高頻晶體管，例如SiCMESFET、 GaN MESFET、 SiC LDM0S、 SiC雙極晶體管或GaN M0SHFET器件。
將輸入電壓信號vi施加到晶體管12的柵極，柵極控制著晶體管
12的狀態(tài)。將輸入電壓信號vi偏置得接近晶體管12的夾斷電壓。晶 體管12的漏極連接到輸出節(jié)點(diǎn)S，并且晶體管12的源極連接到地。 經(jīng)由電感器LDS將電源電壓VDD耦接到輸出節(jié)點(diǎn)S。將輸出節(jié)點(diǎn)S處 的電壓施加到包括電感器L。和電容器C。的串聯(lián)諧振電路14。在一些 應(yīng)用中，該串聯(lián)諧振電路14可以是帶通電路，調(diào)諧該帶通電路以通 過以放大器電路10的所需輸出頻率ffl為中心的窄范圍的頻率。在諸 如雷達(dá)應(yīng)用的其它應(yīng)用中，可以調(diào)諧該串聯(lián)諧振電路以通過更寬范圍 的頻率。在輸出頻率處，以等于R + jX的負(fù)載提供晶體管輸出，其 中X為在輸出處看到的諧振電路的電抗。
當(dāng)晶體管12處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)(即，晶體管是飽和的)，該器件充 當(dāng)著通往地的短路電路，將節(jié)點(diǎn)S處的電壓下拉到零。然后經(jīng)過電感 器L。s的電流線性地增大。當(dāng)晶體管截止時(shí)，經(jīng)過I^的電流被引導(dǎo)到 漏極-源極電容C。s中，使得節(jié)點(diǎn)S處的電壓升高，直到其達(dá)到最大 值，在這一點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)S處的電壓開始下降，因?yàn)槁O-源極電容CDS 開始作為源將電流回饋給負(fù)載。這樣調(diào)諧諧振電路，使得在穩(wěn)定狀態(tài) 下，節(jié)點(diǎn)S處的電壓在晶體管再次導(dǎo)通之前大致回到零。
理想地，諧振電路14僅通過節(jié)點(diǎn)S處的電壓的基頻。輸入電壓vi 可以承栽被調(diào)制的頻率或經(jīng)放大的輸出信號中的相位信息。
在圖4中示出了兩個(gè)周期的Vi、 VDS、 V。、 i。 i。和ic的圖示曲線。 如圖4所示，當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，晶體管12的漏極電壓(VDs)為零。當(dāng)輸 入電壓vi降到器件閾值以下時(shí)，器件12截止且漏極電壓V。s開始上 升。隨著經(jīng)過電容器的電流ic降到零，漏極電壓達(dá)到其峰值。當(dāng)電 容器的電流變?yōu)樨?fù)值時(shí)，漏極電壓開始下降。在器件12再次導(dǎo)通之 前，漏極電壓達(dá)到零。將漏極電壓波形施加到諧振電路14，諧振電路 14僅通過漏極電壓波形的基頻，獲得了圖示形狀的V。。
如圖2所示，放大器電路20可以包括E類放大器10，放大器10 具有輸入10A和輸出IOB。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)22連接到;故大器的輸入10A， 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)24連接到該放大器10的輸出IOB。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)22將 輸入信號Vi所看到的阻抗與放大器10的阻抗相匹配，而輸出匹配網(wǎng) 絡(luò)24將放大器10的輸出阻抗轉(zhuǎn)換成所需的輸出阻抗，例如50歐姆。 隨著晶體管柵范圍的增大，更加難以實(shí)現(xiàn)合適的輸出匹配電路?？梢?使用的最大柵范圍取決于包括漏極電壓在內(nèi)的若干因素。利用更高的
漏極電壓，可以為包括具有更大柵范圍的晶體管的放大器電路實(shí)現(xiàn)輸 出匹配電路。由于在理想情況下晶體管的漏極電壓和漏極電流絕不會(huì)
同時(shí)大于零，因此E類放大器能夠?qū)崿F(xiàn)高的漏極效率和高的功率附加 效率(PAE)。漏極效率被定義為放大器輸出的RF功率與放大器消耗的 DC功率之比。
漏極效率=^1*100
功率附加效率考慮了 RF輸入功率，被定義為輸出RF功率減去輸入RF 功率除以DC功率的比值。<formula>formula see original document page 11</formula>
E類放大器輸出的RF功率正比于電路電源電壓Vdd的平方。于是， 可以通過增加電源電壓提高器件輸出的總RF功率。不過，在采用GaAs 和硅晶體管的常規(guī)器件中，由于材料的擊穿電壓低，電源電壓受到了 限制。此外，在一些應(yīng)用中，希望從輸入信號向輸出信號再次引入幅 度信息。在一些應(yīng)用中，可以通過調(diào)制電源電壓vdd實(shí)現(xiàn)這一目的。 因此，可能希望使用大的V。d來提供輸出電壓信號中的高動(dòng)態(tài)范圍。
不過，如上所述，GaAs和硅可能不太適合更高功率和/或高頻率的 應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兊膸断鄬^小(例如，室溫下硅為1.12 eV， GaAs 為1.42)且/或擊穿電壓相對較低。
GaAs基晶體管已經(jīng)成為了民用、軍用雷達(dá)、手機(jī)和衛(wèi)星通信中信 號放大的標(biāo)準(zhǔn)。GaAs比硅具有更高的電子遷移率(大約為6000 cm2 /V -s)和更低的源極電阻，這可能會(huì)允許GaAs基器件工作在更高的頻 率。不過，GaAs具有相對較小的帶隙(室溫下為1.42 eV)和相對較低 的擊穿電壓，這可能會(huì)防止GaAs基HEMT在高頻下提供高功率?？梢?通過組合低功率放大器單元構(gòu)建更高功率的放大器。不過，即使使用 低損耗組合技術(shù)，在組合器的損耗超過使用開關(guān)模式放大器所能實(shí)現(xiàn) 的效率增益之前，能夠組合的單元數(shù)量還是受到了限制。
考慮到Si和GaAs所具有的困難，人們對高功率、高溫和/或高
頻應(yīng)用和器件的興趣轉(zhuǎn)向了寬帶隙半導(dǎo)體材料，諸如碳化硅(室溫下，
4H-SiC的帶隙為3.28 eV)和三族氮化物(例如，在室溫下GaN的帶 隙為3.36 eV)。與砷化鎵和硅相比，這些材料通常具有更高的電場擊 穿強(qiáng)度和更高的電子飽和速度。如這里所用的，"寬帶隙"是指諸如SiC 和三族氮化物的、具有大約3eV或更高帶隙的半導(dǎo)體材料。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，晶體管12包括如圖3中的截面圖所示 的高電子遷移率晶體管(HEMT) 30。晶體管30包括襯底32，其可以是 例如半絕緣的4H多型的碳化硅(SiC)。可以使用包括2H、 3C、 6H和15R 多型的其它碳化硅多型。術(shù)語"半絕緣"是以相對的意義描述性地使 用的，而不是以絕對性的意義使用的。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，碳 化硅體晶體在室溫下能具有等于或高于大約105歐姆的電阻率。
襯底32上的緩沖層33在襯底32和器件的其余部分之間提供了 適當(dāng)?shù)木w過渡。緩沖層33可以包括一個(gè)或多個(gè)InAlGaN層。在特 定實(shí)施例中，緩沖層33可以包括A1N或AlGaN。碳化硅比藍(lán)寶石(A1203 ) 具有與三族氮化物更為接近的晶格匹配，藍(lán)寶石是三族氮化物器件非 常通用的襯底材料。更接近的晶格匹配可以獲得比通常在藍(lán)寶石上可 以獲得的更高質(zhì)量的三族氮化物膜。碳化硅還具有非常高的熱導(dǎo)率， 從而，碳化硅上的三族氮化物器件的總輸出功率通常不會(huì)像形成于藍(lán) 寶石上的同樣器件那樣受到襯底散熱的限制。而且，可以得到的半絕 緣的碳化硅襯底可以實(shí)現(xiàn)器件隔離和降低的寄生電容。
雖然半絕緣碳化硅是優(yōu)選的襯底材料，本發(fā)明的實(shí)施例可以采用 任何適合的襯底，例如藍(lán)寶石、氮化鋁、鋁鎵氮、氮化鎵、硅、GaAs、 LG0、 Zn0、 LA0、 InP等。此外，襯底可以是導(dǎo)電的、半絕緣的或高電 阻的。在包括MMIC的實(shí)施例中，最好使用半絕緣的或高電阻的襯底。 在一些實(shí)施例中，也可以形成適當(dāng)?shù)木彌_層。
合適的SiC村底是由例如本發(fā)明的受讓方，Durham, N. C.的Cree, Inc.公司制造的，制造方法在例如美國專利No. Re. 34, 861 、 4， 946， 547、 5， 200, 022和6， 218, 680中有所描述，其內(nèi)容在此全文引 入以作參考。類似地，用于外延生長三族氮化物的技術(shù)在例如美國專 利No. 5,210,051、 5, 393, 993、 5, 523, 589和5， 292， 501中有描述， 再次全文引入其內(nèi)容以作參考。
GaN基HEMT的具體結(jié)構(gòu)在以下7>開中均有描述，例如在共同受讓
的美國專利6, 316, 793以及2001年7月12日提交的美國申請序列號 09/904,333- "ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS HAVING A GATE CONTACT ON A GALUUM NITRIDE BASED CAP SEGMENT AND METHODS OF FABRICATING SAME", 2001年5月11日提交的美國臨時(shí)申請序列號60/290, 195 - "GROUP III NITRIDE BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR ,T) WITH BARRIER/SPACER LAYER",授予Smorchkova等人的題為"GROUP - III NITRIDE BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR (服MT) WITH BARRIER/SPACER LAYER"的美國專利申請序列號10/102, 272以及授 予Saxler 的題為 "STRAIN BALANCED NITRIDE HETEROJUNCTION TRANSISTORS AND METHODS OF FABRICATING STRAIN BALANCED NITRIDE HETEROJUNCTION TRANSISTORS"的美國專利申請序列號10/199, 786， 在此全文引入其公開內(nèi)容以作參考。本發(fā)明的實(shí)施例可以被引入這種 結(jié)構(gòu)中，因此，不應(yīng)被理解為限于這里所詳細(xì)描述的特定結(jié)構(gòu)。
再次回到圖3，晶體管30包括溝道層34。在本發(fā)明的一些實(shí)施 例中，溝道層34包括InAlGaN。在特定實(shí)施例中，溝道層34包括AlxGai _XN (0 < x < 1)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，溝道層34包括GaN。 溝道層34可以是未摻雜的，并且可以生長到大約1和大約lOmm之 間的厚度。
在上述的一些實(shí)施例中，最好使半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)朝向Ga極性(或 三族極性)取向，以增強(qiáng)材料的壓電質(zhì)量的效果。不過，可以利用N 極性或非極性材料形成包括圖3的實(shí)施例在內(nèi)的許多實(shí)施例而不脫離 本發(fā)明的范圍。
在溝道層34上提供阻擋層36。阻擋層36可以是帶隙大于溝道層 34的三族氮化物。因此，阻擋層36可以是AlGaN、 AlInGaN、 AlInN 和/或AlN。才艮據(jù)形成其的材料，阻擋層36可以至少為大約0. 5nm厚。 例如，AlGaN阻擋層可以至少為大約10nm厚。阻擋層36應(yīng)當(dāng)足夠薄 以便在平衡條件下完全耗盡。
優(yōu)選地，阻擋層36是未摻雜的，或者以小于大約1019cm—3的濃 度摻雜激活的施主原子。在一些實(shí)施例中，可以在離阻擋層36和溝 道層34的界面大約IOOA的距離處以大約1013cm —2的濃度對阻擋層36 進(jìn)行delta摻雜。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，阻擋層36包括_XN，
其中0 < x < 1。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，阻擋層36包括鋁濃度 介于大約5%和大約100°/。之間的AlGaN。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，鋁 濃度大于大約10%。阻擋層36具有大于溝道層34的帶隙。
也可以為阻擋層提供多層，如授予Smorchkova等人的題為"GROUP -III NITRIDE BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR (HEMT) WITH BARRIER/SPACER LAYER"的美國專利申請No. 10/102, 272以及 2001年11月13日發(fā)布的題為"NITRIDE BASED TRANSISTORS ON SEMI - INSULATING SILICON CARBIDE SUBSTRATES WITH PASSIVATION LAYER"的美國專利No. 6, 316, 793所述，這里將其全文引入以作參 考，如同在這里完整闡述一般。于是，不應(yīng)將本發(fā)明的實(shí)施例理解為 將阻擋層限制為單層，而是可以包括，例如，具有有著各種材料組分 的InAlGaN層的組和的阻擋層。例如，可以用GaN/AIN結(jié)構(gòu)來減少或 防止合金散射。
在圖3所示的實(shí)施例中，阻擋層36包括0.6 nm的A1N層。在阻 擋層36上形成包括AlxGai_xN的更低的帶隙層38。層38具有介于大 約14%和30%之間的鋁組分(即0. 14 < x < 0.3)。
可以在阻擋層36上提供任選的InAlGaN接觸層或帽蓋層40，以 促進(jìn)晶體管30的觸點(diǎn)的形成。這種帽蓋層的例子在2001年7月12 日提交的題為"ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS HAVING A GATE CONTACT ON A GAUJUM NITRIDE BASED CAP SEGMENT AND METHODS OF FABRICATING SAME" 的美國專利No. 09/904, 333中公開了，上文中對其引用過。在圖示 的實(shí)施例中，帽蓋層40包括4nm的未摻雜GaN層。
此外，在阻擋層36和接觸層或帽蓋層之間可以存在組分上漸變 的過渡層(未示出)?？梢匀缑绹鴮＠鸑o. 6, 316, 793所述制造源極 觸點(diǎn)58、漏極觸點(diǎn)50和柵極觸點(diǎn)52。
如在題為"GROUP III NITRIDE BASED FETS AND HEMTS WITH REDUCED TRAPPING AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME"的美國專利No. 6, 586, 781和題為"DIELECTRIC PASSIVATION FOR SEMICONDUCTOR DEVICES"的美國專利申請No. 10/851, 507中所討論的，可以在器件 的暴露表面上形成鈍化層5 6，在此全文引入以上文獻(xiàn)的公開內(nèi)容以 作參考，如同在此全文闡述一般。
如上所述，在溝道層3 4和阻擋層3 6之間的界面處誘發(fā)了 2DEG 薄片電荷區(qū)35。此外，緩沖層33可以用深受主摻雜，如在S. Heikman 等人的文章 "Growth of Fe - Doped Semi - insulating GaN by Metalorganic Chemical Vapor Deposition" (Appl. Phys. Let. 81， pp. 439 - 441 (2002))中所述的。共摻雜層的具體例子在2004年1 月7日提交、轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的、題為"CO-DOPING FOR FERMI LEVEL CONTROL IN SEMI - INSULATING GROUP III NITRIDES"的美國 專利申請No. 10/752, 970中提供，在此引入其公開以作參考。可以 用Fe或另一種深受主摻雜該緩沖層。
圖5和圖6為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的兩個(gè)單級放大器的功率輸出和功 率附加效率的曲線圖。每個(gè)電路都使用了如以上結(jié)合圖3所述的GaN 基HEMT。每個(gè)器件都具有3. 6mm的總的柵極范圍，并且在每個(gè)電路中， 漏極電壓(VDD)都是30 V。第一放大器設(shè)計(jì)為工作在2GHz，其特性 在圖5中示出。第二放大器設(shè)計(jì)為工作在2.8GHz，其特性在圖6中示 出。如圖5所示，第一放大器電路在2.0GHz實(shí)現(xiàn)了大約40 dBm (10 瓦)的輸出功率，和大于82%的功率附加效率。此外，在從1.9 GHz 到2.1 GHz的200 MHz帶寬上，第一放大器電路表現(xiàn)出大于75%的功 率附加效率和超過40dBm的功率輸出。
如圖6所示，第二放大器在2. 8 GHz實(shí)現(xiàn)了大約39. 5 dBm (大約 8. 9瓦)的輸出功率和大于80%的功率附加效率。此外，在從2. 7 GHz 到2.9 GHz的200 MHz的帶寬上，第二放大器電路表現(xiàn)出大于75%的 功率附加效率和超過37dBm的功率輸出。
使用具有更高功率密度的器件結(jié)構(gòu)可以獲得更高的功率水平。例 如，本發(fā)明的受讓人已經(jīng)證實(shí)了超過30W/mm的功率密度。此外，可 以通過組合其他拓樸結(jié)構(gòu)的放大器單元構(gòu)建更高功率的電路。例如， 可以使用推挽拓樸組合放大器單元，在推挽拓樸中，放大器電路彼此 相差180度的相位。圖7為使用了 30mm GaN HEMT有源器件的根據(jù)本 發(fā)明實(shí)施例的60瓦E類功率放大器的曲線圖。
于是，盡管已經(jīng)參考特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本說明書僅是 對本發(fā)明的說明，不應(yīng)被理解為是對本發(fā)明的限制。在不脫離如所附 權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的真實(shí)范圍和精神的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員可以想到各種變型和應(yīng)用。
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包括基于寬帶隙的微波單片集成電路
(醒IC)，例如包括集成在襯底上的寬帶隙晶體管的SiC或GaN醒IC， 該醒IC具有分布式電路元件以形成如上所述的單片E類放大器電路。 此外，本發(fā)明適用于M0S和LDM0S技術(shù)，且適用于包括802. 11和802. 16 頻帶(即2. 4 GHz、 25. 、 2. 7、 3. 4到3. 8以及5. 3到5. 8 GHz )的其 他頻率。該MMIC還可以包括輸入和/或輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以及其他分布式 或集總式電路。
權(quán)利要求
1.一種用于較高頻率應(yīng)用的開關(guān)模式功率放大器，包括a)晶體管，所述晶體管具有第一端子、第二端子和控制端子并具有所述第一端子和第二端子之間的內(nèi)部電容，b)連接到所述控制端子的信號輸入端子，c)導(dǎo)電地連接到所述第二端子的功率端子，d)連接到所述第一端子的接地端子，e)將所述第二端子耦接到輸出端子的諧振電路，以及f)將所述輸出端子耦接到所述接地端子的電阻，由此，輸入信號控制所述晶體管的導(dǎo)通，且當(dāng)所述晶體管導(dǎo)通時(shí)所述第二端子耦接到地，從電源流往所述第二端子的電流增大，當(dāng)所述晶體管截止時(shí)，來自所述電源的電流被引導(dǎo)到所述晶體管的內(nèi)部電容中，使得所述第二端子上的電壓升高到最大值并隨后降低，所述第二端子處的電壓通過所述諧振電路耦接到所述輸出端子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述晶體 管包括化合物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，所述第 一端子為源極端子且所述 第二端子為漏極端子。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述晶體 管包括高電子遷移率晶體管(HEMT)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述半導(dǎo) 體材料包括寬帶隙化合物材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述半導(dǎo) 體材料是從由碳化硅和周期表的三族氮化物構(gòu)成的組中選擇的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述晶體 管包括化合物半導(dǎo)體襯底、形成于所述襯底上的緩沖層、形成于所述 緩沖層上的溝道層以及形成于所述溝道上的阻擋層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述襯底 包括碳化硅，且其它層包括三族氮化物材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述襯底 包括碳化珪，所述緩沖層包括InAlGaN，所述溝道層包括InAlGaN， 且所述阻擋層包括第 一三族氮化物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述晶體 管還包括形成于所述阻擋層上的第二三族氮化物層，所述第二三族氮 化物層具有比所述第 一三族氮化物層更低的帶隙。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述第二 三族材料包括AlGaN。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述晶體 管還包括形成于所述第二三族氮化物層上的帽蓋層，以促進(jìn)形成與所 述晶體管的觸點(diǎn)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述帽蓋 層包括三族氮化物。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述帽蓋 層包括InAlGaN。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述晶體 管包括GaN MESFET。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述晶體 管包括SiC雙極晶體管。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述晶體 管包括GaN M0SFET。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述晶體 管包括LDMOS晶體管。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述放大 器在1. 0GHz以上的頻率工作。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述諧振 電路包括串聯(lián)諧振電路。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述諧振 電路包括帶通電路。
21. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述半導(dǎo) 體材料包括寬帶隙化合物材料，且其中所述開關(guān)模式放大器被配置為 在1.9 GHz以上的頻率產(chǎn)生超過40 dBm的輸出功率。
22. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述半導(dǎo) 體材料包括寬帶隙化合物材料，且其中所述開關(guān)模式放大器被配置為 在1.9 GHz以上的頻率表現(xiàn)出超過75。/。的功率附加效率。
23. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述半導(dǎo) 體材料包括寬帶隙化合物材料，且其中所述開關(guān)模式放大器被配置為在從1. 9 GHz到2. 1 GHz的帶寬上產(chǎn)生超過40 dBm的輸出功率且表 現(xiàn)出超過75%的功率附加效率。
24. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述半導(dǎo) 體材料包括寬帶隙化合物材料，且其中所述開關(guān)模式放大器被配置為 在2.7 GHz以上的頻率產(chǎn)生超過39 dBm的輸出功率。
25. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述半導(dǎo) 體材料包括寬帶隙化合物材料，且其中所述開關(guān)模式放大器被配置為 在2. 7 GHz以上的頻率表現(xiàn)出超過75W的功率附加效率。
26. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述半導(dǎo) 體材料包括寬帶隙化合物材料，且其中所述開關(guān)模式放大器被配置為 在從2.7 GHz到2.9 GHz的帶寬上產(chǎn)生超過37 dBm的輸出功率且表 現(xiàn)出超過75%的功率附加效率。
27. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述晶體 管包括能夠?qū)崿F(xiàn)60瓦功率輸出的30mm GaN HEMT。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的開關(guān)模式功率放大器，其中所述晶體 管的性能在1. 9GHz超過51dBm。
全文摘要
一種開關(guān)模式功率放大器包括能對超過1.0GHz的輸入信號作出響應(yīng)的晶體管，所述晶體管包括連接到地的一個(gè)端子和導(dǎo)電地連接到電源的另一個(gè)端子。諧振電路將第二端子連接到輸出，該輸出具有跨接在輸出和地之間的電阻性負(fù)載。當(dāng)該晶體管導(dǎo)通時(shí)，第二端子連接到地，當(dāng)該晶體管截止時(shí)，從電源到第二端子的電流被引導(dǎo)至晶體管的內(nèi)部電容中，使得第二端子上的電壓升高到最大值并隨后降低，第二端子處的電壓通過諧振電路連接到輸出端子。在優(yōu)選實(shí)施例中，晶體管包括化合物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，第一端子為源極端子，第二端子為漏極端子。場效應(yīng)晶體管優(yōu)選為化合物高電子遷移率晶體管(HEMT)或化合物MESFET，不過在其他實(shí)施例中，晶體管可以是化合物L(fēng)DMOS、化合物雙極晶體管或化合物MOSFET。
文檔編號H03F3/217GK101107775SQ200580047180
公開日2008年1月16日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月31日
發(fā)明者J·W·米利根, R·S·彭杰利, W·L·普里布爾 申請人:克里公司