基于氮化镓(GaN)的射频功率器件和放大器.docx

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1、基于氮化镜(GaN)的射频功率器件和放大器目录1.前言12 .介绍23 .GaN的外延层生长34 .先进的器件设计和处理技术54.1.概述54.2.场镀(FieId-Plated)GaNHEMT64.3.深腔(Deep-Recessed)GaNHEMT104.4.金属氧化物半导体HEMT(MOSHEMT)134.5.用于毫米波应用的GaNHEMT的工艺和器件技术174.6.GaNHEMTS器件的线性224. 7.可靠性和制造方面的挑战265.氮化钱GaN彻底放飞射频功率放大器275. 1.概述275. 2.半导体技术285. 3.设计注意事项295. 4.Lange耦合器305. 5.分布式放

2、大器305. 6.结果315. 7.今天的产品能力325. 8.概括336 .应用337 .结论361 .前言氮化钱功率晶体管可以在毫米波及更高波长下工作，以满足手机，卫星和电视广播的未来应用需求。射频功率电子器件的快速发展需要引入宽带隙(WidebandgaP)材料，因为它具有高输出功率密度，高工作电压和高输入阻抗的潜力。基于GaN的RF功率器件在过去十年中取得了实质性的进展。本文试图回顾GaNHEMT技术的最新发展，包括材料生长，加工技术，器件外延结构和MMIC设计，以实现最先进的微波和毫米波性能，本文还讨论了GaNHEMT器件的可靠性和制造方面的挑战。2 .介绍随着近来无线通信市场的高涨

3、，以及传统军事应用的稳定但持续的进步，微波晶体管在人类活动的许多方面发挥着关键作用。对微波晶体管性能的要求越来越高。在个人移动通信应用中，下一代蜂窝电话需要更宽的带宽和更高的效率。卫星通信和电视广播的发展要求放大器工作在更高的频率(从c波段到KU波段，再到Ka波段)和更高的功率，以减少终端用户的天线尺寸。同样的要求也适用于宽带无线互联网连接，因为速度或数据传输速率不断提高。由于这些需求，业界在开发基于Si/SiGe,GaAs,SiC和GaN的高性能微波晶体管和放大器方面进行了大量的投资。表1列出了这些材料的主要参数和JohnSon的品质因数(JM,Johnson,sfigureofmerit)

4、,用于比较不同材料的功率频率极限值。JM仅根据材料特性给出功率频率限制，可用于比较高频和高功率应用的不同材料。表1与各种材料的高频功率性能相关的材料特性SiGaAs4H-SiCGaNDiamondEr(eV)1.11.423.263.395.45%(cm)1.5x10101.51068.21(T91.910,01.61027er11.813.1109.05.5n(cm2Vs)135085007001200(Bulk)2000(2DEG)1900vsflf(107cms)1.01.02.02.52.7Ebr(MVZcm)0.30.43.03.35.6(W/cmK)1.50.4333-4.51.3

5、20JW=212.72027.5507T物G好历对高功率和高频率的要求需要基于具有大击穿电压和高电子速度的半导体材料的晶体管。从这个观点来看，具有更高JM的宽带隙材料，如GaN和SiC,是优选的。宽带隙导致更高的击穿电压，因为最终击穿场决定了带对带碰撞电离所需的场强。此外，两者都具有高电子饱和速度，允许高频操作。尽管具有相似的击穿场和饱和电子速度，但是与SiC相比，GaN形成异质结的能力使其性能优越。GaN可用于制造高电子迁移率晶体管(HEMT),而SiC仅可用于制造金属半导体场效应晶体管(MESFET)。HEMT的优点包括其高载流子浓度和由于电离杂质散射减少而具有更高的电子迁移率。高载流子浓

6、度和高电子迁移率的组合导致高电流密度和低沟道电阻，这对于高频操作和电源开关应用尤其重要。从放大器的角度来看，GaN基HEMT器件与现有的生产技术(例如GaAS)相比具有许多优势。高输出功率密度允许制造具有相同输出功率的更小尺寸的器件。由于较小的尺寸，较高的阻抗允许放大器中更容易和更低的匹配损耗。由于其高击穿电场而在高电压下的操作不仅减少了对电压转换的需要，而且还提供了获得高效率的潜力，这是放大器的关键参数。宽带隙还使其能够在高温下工作。同时，HEMT提供比MESFET更好的噪声性能。通过卓越的半导体特性实现的放大器应用中的这些吸引人的特性使得基于GaN的HEMT成为微波功率应用中的非常有前景的

7、候选者。在本文中，我们将讨论GaNHEMT技术的关键组件。在第二节中，我们通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)来回顾高纯度器件层的生长。在第In节中，我们介绍了正在开发的器件工程和工艺技术，以实现最先进的GaNHEMT性能。本文还讨论了可靠性和制造挑战。在第四节中，我们重点介绍了最近实现的一些GaNHEMT混合放大器和单片微波集成电路(MMlC)。3 .GaN的外延层生长许多团队一直在开发MOCVD和MBE外延生长技术，用于生长In族氮化物材料，如GaN,AlN,AlGaN和InGaN中。在MOCVD工艺中，使用相应的金属有机化合物，通常是三甲基像，三甲基铝和三甲基锢来

8、提供Ga,Al和In等元素。然后金属有机化合物通过载气输送，最常见的载气是氢气。因此，载气中化合物的浓度由其蒸气压决定。最常用的氮源是氨。在RF-MBE技术中，通过使氮气流(N2气体)通过等离子体放电产生活性氮原子和分子。该方法的一个变体使用氨NH3作为氮源气体。In族元素的生长通量由高纯度元素源的蒸发提供。这两种技术的增长努力都集中在开发高功率微波和毫米波AlGaN/GaNHEMT结构上。SiC由于其优异的导热性而被广泛用作基板，而蓝宝石和Si也因其低成本而被使用。通过电阻性AIN成核层提供与SiC和Si衬底的器件隔离，其中调节生长条件以防止硅向外扩散。GaNHEMT薄膜已经实现了优异的材料

9、质量。当用SIMS表征时，半绝缘GaN膜中的杂质浓度低于检测极限。已经证明了AIGaN/GaN,AlN/GaN,GaN/AlN/GaN和AlGaN/AlN/GaN具有平滑和突变界面的异质结构，导致形成具有电子迁移率的2DEGs在室温下高达2000cfIVS。常规地实现4英寸直径SiC衬底上只有2%的非均匀化(例如，参见图l(a)GaNDHFET(双异质结构场效应晶体管)的Va薄层电阻率图)。Average value 131 4072 Ohms/square Maximum value 134 0557 OhmS/square Minimum value 128.699 Ohms/square

10、 Standard deviation 1.3046 OhmsZsquarcw 80 xelsa134133 5133132 5132131 5131130.513012951291412 W 42 OReverse Bias (Votts)K11 10l101w 万物云联网图1在4英寸SiC衬底上生长的GaNHEMT的薄层电阻图和电容-电压图。在半绝缘SiC衬底上生长的AlGaN/GaNHEMT结构的汞探针电容-电压（OV）测量揭示了高质量的材料。CV曲线在高反向偏压（等于SiC衬底的电容）时表现出尖锐的夹断和极低的平坦电容,表明GaN缓冲和epi/SiC界面电荷/掺杂可忽略不计如图1所示（

11、b）。MOCVD和MBE技术都能够生长薄层。已经证明，在AlGaN势垒和GaN沟道之间使用薄的10A的AlN中间层可以通过增加HEMT结构的迁移率和片密度来降低薄层电阻。迁移率的增加归因于合金散射的减少和由于AlGaN/GaN界面处的较大导带不连续性导致的片电荷的增加。图2是在SiC衬底上生长的250AA10.26Ga0.74N/10AAlN/GaNHEMT的X射线光谱。薄的AlN层的存在增强了Pendellosung振荡的强度（PendelIOSUng振荡是异质界面质量（平坦度和突变性）的量度AlN中间层将薄层电阻从400降低到285欧姆/平方。并且迁移率增加到了大于2000cm2Vso10

12、8107106105104100010010151617181920DiffractionAngle疗万物谈网图2（0002）SiC衬底上的AIGaN=I0AAlN/GaNHEMT的X射线光谱。使用MOCVD和MBE技术，注入者已经展示了类似于GaASPHEMT的更复杂的器件结构，例如量子阱或双异质结（DH,doublehetero-junction）FET这些设备中的一些可以工作到W波段频率。量子阱或DH结构提供改进的电子限制，以减轻与较小栅极长度相关的短沟道效应以及更好的衬底隔离，从而产生更高的器件增益和改善的器件效率。AlGaN缓冲层和InGaN背面阻挡层（barrierlayers）已

13、被用于产生导带不连续性（类似于GaASPHEMT和InPHEMT的双量子阱），其抑制电子注入缓冲层。通过GaN缓冲层的Fe,Be或C掺杂（类似于GaASMESFET和SinMOS器件中常用的完全耗尽的掩埋P层），改善了沟道限制/缓冲隔离和减少缓冲漏电流。最后，在外延结构中添加了高度掺杂的帽层，以降低器件的接触（源）电阻，从而提高器件增益和效率。4 .先进的器件设计和处理技术4.1. 概述虽然业界已经研究了几种电子器件（例如，HBT,MESFET,MISFET,HEMT）形式，但是大多数研究工作都集中在HEMT包括M0SHEMT（金属氧化物半导体HEMT）,因为HEMT具有比MESFET更好的载

14、流子传输性能以及GaN中p掺杂的困难阻碍了双极晶体管的发展。典型的AlGaN/GaNHEMT如图3所示。图3典型的AIGaN/GaNHEMT的示意图。Bykhovski等人预测了GaNHEMT中的极化掺杂效应。1992年报道了对在AlGaN/GaN异质结中载流子浓度约为1011CmA2且室温迁移率为400-800cm2/Vs的二维电子气（2DEG）的首次观察。AlGaN/GaNHEMT的第一个DC性能在1993年显示，饱和漏极电流为40mA/mm。1996年，AlGaN/GaNHEMT在2GHz时的第一次射频功率密度数据为1.1W/mm。在GaN器件开发的早期阶段，许多AlGaN/GaNHEM

15、T在根据静态IV曲线的预测输出功率和输出功率的负载牵引测量之间存在差异，这个现象被称为BDC到RF的色散。在图4中，在脉冲IV测量中发生电流崩塌。它被认为是陷阱相关的现象，其中表面和体积陷阱都有贡献。色散的存在严重限制了GaNHEMT的微波输出功率，直到提出两个创新来克服这个问题。一个是在2000年引入了SiXN钝化层技术，它有效地降低了由表面陷阱状态引起的DC到RF的色散，从而导致输出功率的显着增加到9和IlW/mm。另一个是2003年采用的场板(场板，fieldplate)o除了传统的场板功能以增加击穿电压外，它还降低了超出SiXN钝化所提供的色散。从那时起，随着稳定改进的生长技术，材料质量，增强的处理技术和更优化的器件设计，输出功率密度进一步提高。功率密度的最新记录在4GHz时超过40W/mm。0510VdS(V)区奈万物云股网图4在SiC衬底上的AlGaN/GaNHEMT有钝化和无钝化的I-V特性。在脉冲模式中可以观察到明显的电流崩塌(分散)。基于Ga