Si基GaN 射频器件研究进展

 

碳化硅（ＳｉＣ）材 料 的 热 导 率 高，晶 格 匹 配 性 优 异，由其外延 得 到 的 ＧａＮ 薄 膜 结 晶 质 量 是 最 优 的，然 而ＳｉＣ衬底的价格高昂，晶圆 尺 寸 小（３～４ 英 寸 为 主），不利于 ＧａＮ 射频器件的产业化。硅（Ｓｉ）材料的价格低廉、晶圆尺寸大（≥６英寸）、热导率良好，若能解决ＳｉＣＭＯＳ工艺与 ＧａＮ 制备工艺的兼容问题，即可低成本、大规模地生产 ＧａＮ 射频器件，进而推动５Ｇ 通信及其他新兴技术的普及应用。此外，除 了 传 统 的 单 一射频芯片 或 功 率 器 件 外，还 可 利 用 Ｓｉ工 艺 平 台 实 现ＧａＮ 射频器件与功率器件的单片集成，以及与Ｓｉ器件的异质异构集成等，大幅提升电路 性 能 与 集 成 密 度，推动智能前端芯片技术发展。因此 Ｓｉ基 ＧａＮ 技术正受到国内外科研院所与产业界越来越多的关注 ［６－８］。

本文主要调研了 近 年 来 国 内 外 关 于 Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件在材料、工 艺 与 电 路 上 的 研 究 进 展，剖析了相关技术难点与存在问题，并展望了 Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件未来的优化发展方向。此 外 还 基 于 射 频 损 耗 较 低 的高阻 Ｓｉ上 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ 材 料，报 道 了 研 制 的０．２５μｍ 及０．４μｍ 工艺下的Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件，经测试在 Ｃ波段及 Ｘ 波段下工作性能优异，揭示了Ｓｉ基ＧａＮ 射频器件在５Ｇ 应 用 及 低 成 本 雷 达 等 领 域 的 独 特优势和应用前景。

 

 

自２０世纪９０年代初，Ｋｈａｎ等［９］在蓝宝石衬底上率 先 制 得 了 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ 结 构， 随 后 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ 的 直 流 及 微 波 特 性 相 继 被 报 道［１０－１１］， 关 于ＧａＮ ＨＥＭＴ器件的研究逐渐成为热点。由于 ＧａＮ 单晶难以制备，ＧａＮ ＨＥＭＴ器件一般由异质外延生长得到，所使用 的 衬 底 材 料 有 ＳｉＣ、蓝宝 石、Ｓｉ三 种。半绝缘ＳｉＣ材料由于 具 备 良 好 的 晶 格 匹 配 性 和 优 良 的 热导率，一直是 ＧａＮ  ＨＥＭＴ 外 延 衬 底 的 最 佳 选 择。然而，ＳｉＣ作为衬底存 在 着 晶 圆 尺 寸 小、成本过高的问题，严重限制了 ＧａＮ 器件的推广应用。而对于蓝宝石衬底，其晶圆尺寸 较 大 且 价 格 较 为 便 宜，但其硬度太高、热导率极低且晶格失配大，不 利 于 后 续 加 工 与 应用。相较之下，Ｓｉ衬底上 ＧａＮ 技术不仅具有较好的热导率和最低的衬底成本，而 且 晶 圆 尺 寸 大，起点６英寸且易升级到８英寸以上，并可与Ｓｉ工艺线兼容，具有显著的成本优势和 规 模 化 生 产 能 力。下面将介绍近年来国内外关于Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件的研究进展。

 

 

Ｓｉ与 ＧａＮ 之间存在的较大晶格失配和热失配是制约Ｓｉ基 ＧａＮ 技 术 发 展 的 主 要瓶颈，由 失 配 产 生 的 位错与应力会严重 影 响 结 晶 质 量，并 恶 化 器 件 性 能。因此如何消除各外延 层 之 间 的 应 力，探 究 出 有 效 的 应 力调控技术，是改善 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 频 器 件 各 项 特 性 的 基础。此外，与电力电子器件不同，Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件由于高阻Ｓｉ晶圆难以制备，且衬 底 与 成 核 层 界 面 处 易形成导电层，导致器 件 在 高 频 工 作 状 态 下 存 在 射 频 损耗，限制输出功率和效率。因此，如 何 优 化 衬 底 及外延结构，抑制射频损耗，是实现 Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件大规模高效应用的关键。

 

２０１９年，Ｔｚｅｎｇ等［１２］在８英寸Ｓｉ衬底上分别制备了 Ａｌ组分渐变 ＡｌＧａＮ 缓冲层和 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ 超晶格缓冲层 两 种 结 构 的 ＧａＮ ＨＥＭＴ 器 件，如 图 １ 所 示。经 ＴＥＭ、ＸＲＤ、拉 曼 光 谱、ＡＦＭ、ＥＰＤ、直 流 特 性以及频率特性等系统地测试 分 析 比 较 两 种 结 构 对 器 件各项性能指标的影响，发现采用 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ 超晶格缓冲层结构的器件无论是结 晶 质 量 还 是 直 流 特 性 或 频率特性均展现出更优的测试结果，在０．１７ μｍ 栅长下测得ｆＴ和ｆｍａｘ分别达到４１．６ＧＨｚ和１２６．４６ＧＨｚ。同年 Ｙａｎｇ等［１３］设计了Ｓｉ掺杂的 ＡｌＧａＮ 背势垒层以及 Ｃ掺杂的 ＧａＮ 缓冲层得到了漏电小、耐击穿且电流崩塌效 应 低 的 Ｓｉ基 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ 器 件。２０２０ 年，Ｘｉａ等［１４］分 析 了 ＧａＮ 和 ＳｉＮ 两 种 不 同 帽 层 结 构 对ＡｌＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ器 件 性 能 退 化 的 抑 制 效 果，发 现 带有３．５ｎｍ 原位钝化ＳｉＮ 帽层以及４．５ｎｍ ＡｌＮ 势垒层结构的Ｓｉ基 ＧａＮ ＨＥＭＴ 器 件 具 有 最 低 的 薄 层 电 阻、最 高 的 二 维 电 子 气 浓 度 （Ｔｗｏ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｏｎ    ＧａｓＤｅｎｓｉｔｙ）以及最好的稳定性。

 

图１ 采用组分渐变 ＡｌＧａＮ 的缓冲层结构（ａ）和 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超晶格的缓冲层结构（ｂ）［１２］

 

２０１７年，Ｌｕｏｎｇ等［１５］采 用 ＨＬＨ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ的生长模式在高阻Ｓｉ衬底（１０４ Ω·ｃｍ）上外延出１００ｎｍ的 ＡｌＮ 缓 冲 层，得 到 的 ＧａＮ ＨＥＭＴ 有 效 抑 制 了 因ＡｌＮ／Ｓｉ之间晶格失配所产生的张应力，从而降低极化电场强度，减小射频损耗。通过对长度为１ ｍｍ 的共面波导（ＣＰＷ）测 试，１０ ＧＨｚ下 射 频 损 耗 仅 ０．４ｄＢ／ｍｍ，４０ＧＨｚ下的射频损耗低于１．２ｄＢ／ｍｍ，材料结构及测试结果如 图 ２ 所 示。同 年，Ｃｏｒｄｉｅｒ等［１６］采 用ＮＨ３－ＭＢＥ技术，在高阻Ｓｉ衬底（１０４ Ω·ｃｍ）上生长了０．２μｍ 的 ＡｌＮ 成核层和０．５ μｍ 的 ＧａＮ 缓冲层，此生长模式相较于 ＭＯＣＶＤ 更易控制 ＡｌＮ／Ｓｉ间的界面态，且其低温生长特性 能 在 抑 制 界 面 态 漏 电 的 同 时 保证高结晶质量。经测试３５ＧＨｚ下的射频损耗低于０．３ｄＢ／ｍｍ，且７０ＧＨｚ下的射频 损 耗 低 于０．５ｄＢ／ｍｍ，并对比了不同 ＡｌＮ 生长温度 对 射 频 损 耗 的 影 响，如图３所示。此外，Ｃｈｉｕ等［１７］利用绝缘衬底上硅（ＳＯＩ）制备 了 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＩＳＨＥＭＴ， 采 用 ＳＯＩ 衬 底 的ＨＥＭＴ器件具有低寄生电容、低射频损耗、高衬底绝缘度等适用于射频器件的优点，经测试０．２５ μｍ 栅长下ｆＴ和ｆｍａｘ分别达３２．１ＧＨｚ和５１．９ＧＨｚ。
 

可以看出合理的帽层、势 垒 层 以 及 缓 冲 层 等 结 构设计不但能够调控应 力 提 高 结 晶 质 量，还能使器件具备优异的直流特性和频率特性，与 此 同 时 要 优 化 衬 底及成核层结 构 以 求 降 低 射 频 损 耗，一 方 面 可 以 提 高ＡｌＮ 的结晶质量并抑制 ＡｌＮ／Ｓｉ间的界面态，另一方面应从缓 冲 层 及 Ｓｉ衬 底 入 手，提 高 器 件 绝 缘 度，减 小漏电。

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图２ 高低阻Ｓｉ衬底上外延１００ｎｍ ＨＬＨ ＡｌＮ 的射频损耗［１５］

 

现有的Ｓｉ基 射 频 ＧａＮ 器 件 制 造 工 艺 几 乎 都 是 基于有金（Ａｕ）工艺 完 成 的。Ａｕ是 传 统 ＧａＮ 器 件 欧 姆 接触工艺中的必 备 金 属 之 一，采 用 Ｔｉ／Ａｌ／Ｘ／Ａｕ（Ｘ 可 为Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｐｔ等）结 构 合 金 的 接 触 电 阻 可 达 到０．３Ω·ｍｍ 左 右，且 性 能 稳 定。然 而，含 Ａｕ的 ＧａＮ 制备工艺存在着成本高以及与传统 ＣＭＯＳ工 艺 不 兼 容 等问题，提高了 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 频 器 件 的 生 产 成 本。实 现无 Ａｕ工艺的关键是做到源漏金属的无 Ａｕ化，对此已有 Ｔｉ／Ａｌ／ＴｉＮ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｗ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＷ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ａｌ／ＮｉＶ 等 方 案 提 出，所 获 得的欧姆接触电阻 一 般 在０．５～１．０Ω·ｍｍ，尽 管 这 些方案能够 一 定 程 度 地 满 足 电 力 电 子 功 率 器 件 的 需 求，然而面对射频器件对 寄 生 电 阻 的 严 格 要 求 仍 存 在 较 大的差距。

图３ 不同温度下采用 ＮＨ３－ＭＢＥ技术生长 ＧａＮ／ＡｌＮ缓冲层的射频损耗对比［１６］

 

２０１７年，Ｆｅｒｒｅｙｒａ等［１８］采 用 脉 冲 激 光 烧 蚀 技 术（ＰＬＤ），在Ｓｉ衬 底 上 制 备 了 表 面 光 滑 且 形 貌 良 好 的ｎ＋ －ＧａＮ，并在 其 上 淀 积 Ｈｆ／Ａｌ／Ｔｉ（２０／２００／２０ｎｍ）形成无 Ａｕ欧姆接触，此外 Ｈｆ金属的功函数（３．５ｅＶ）低于 Ｔｉ（４．１ｅＶ）与 ＴｉＮ（４．７ｅＶ），故 更 适 合 作 为 欧 姆 接触的 电 极，经 测 试 得 到 接 触 电 阻 为０．１７Ω·ｍｍ，比接触 电 阻 可 达 １０－７ Ω·ｃｍ２ 量 级。２０１８ 年，Ｚｈａｎｇ等［１９］在Ｓｉ衬 底 上 经 势 垒 层 刻 槽 处 理 后，采 用 Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ （２．５／１００／２０／６０ｎｍ）的 无 Ａｕ欧 姆 接 触 工 艺 制备了 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ 器 件，退 火 后 的 结 构 如 图４所示。其中底 层 金 属 Ｔｉ的 厚 度 仅 为２．５ｎｍ，既 能 够形成厚度适宜 的 ＴｉＮ 层 让 Ａｌ与 ＴｉＮ 发 生 固 相 反 应 生成 ＡｌＮ，又不会因 Ｔｉ太厚而阻止两者反应，使接触电阻大大降低，在５５０ ℃下 合 金 得 到 的 接 触 电 阻 与 比 接触电阻分别为０．２１Ω·ｍｍ 和１．１６×１０－６ Ω·ｃｍ２。
 

可见采 用 二 次 外 延 高 质 量 ｎ＋ －ＧａＮ、势 垒 层 刻 槽以及无 Ａｕ欧 姆 接 触 等 技 术，能 够 得 到 较 低 的 接 触 电阻和比接触 电 阻 并 改 善 表 面 形 貌。此 外 无 Ａｕ的 欧 姆接触工艺也为实现无 Ａｕ的Ｓｉ基 ＧａＮ 技术，降低生产成本提供了保障。

 

 

（ａ）合金退火后金属结构；（ｂ）合金与半导体接触面结构

图４ Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ 在５５０ ℃退火后的 ＨＲ－ＴＥＭ 图［１９］

 

为了 解 决 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 频 器 件 的 电 流 崩 塌 问 题，一般需要在器件表面淀积 ＳｉＮ 钝化保护层，其能够有效抑制表面态对电子的俘获效应，从而抑制电流崩塌，但是与此同时沟道的 电 子 浓 度 也 会 提 高，短沟道效应也随之加剧，恶 化 输 出 特 性 和 关 断 特 性。此外ＳｉＮ 钝化层通常由ＰＥＣＶＤ 低温生长得到，此工艺会导致ＳｉＮ薄膜中 Ｈ 离子杂质过多且致密性较差，钝化效果不理想。并且由于Ｓｉ衬底的绝缘度远不如ＳｉＣ 衬底，漏电问题也严重制约着 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 频 器 件 的 性 能。因此探究高水平的先进钝化工艺是 有 效 抑 制 电 流 崩 塌 和 表面漏电的关键技术方案。ＬＰＣＶＤ 不同于 ＰＥＣＶＤ，是一种高温钝化ＳｉＮ 的工艺，通 常 在 器 件 工 艺 开 始 前 完成，生长得到 的 钝 化 层 致 密 性 好、质量高。原位钝化ＭＯＣＶＤ 是一种在 ＧａＮ 生长结束后继续生长ＳｉＮ 保护层的方法，能够有效避 免 器 件 表 面 受 到 外 界 环 境 的 污染，故钝化效果良好。
 

２０１９年，Ｚｈａｎｇ等［２０］采 用 ＬＰＣＶＤ 技 术 在 ＧａＮ表面生长了一层２０ｎｍ 的 ＳｉＮ 钝化层，经 ＣＶ 测试分析发现由 ＬＰＣＶＤ 生 长 的 钝 化 层 相 较 于 ＰＥＣＶＤ 具备更好的致 密 性，并 且 能 够 有 效 抑 制 表 面 漏 电。２０２０年，Ｃｈｅｎ等［２１］采用原位钝化 ＭＯＣＶＤ 技术在势垒层上生长了３ｎｍ 的ＳｉＮ 作为栅介质，制得０．７μｍ 栅长的 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＩＳＨＥＭＴ 器件性能良好，电路开关比达１０６，电流退化率为１８％，测得ｆＴ和ｆｍａｘ分别为１２．５ＧＨｚ和１５ＧＨｚ。为了比较 ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ 复合钝化以及原位钝化 ＭＯＣＶＤ 对电流崩塌以及表面漏电的抑制作用，Ｈｕａｎｇ等［２２］用 上 述 三 种 不 同 的 方 式 在同种器件结构上制备了三种ＳｉＮ 钝化层，钝化效果对比 如 图 ５ 所 示， 可 以 看 出 ＬＰＣＶＤ 复 合 钝 化 层（Ｂｉｌａｙｅｒ）的曲线波动是最小的，说 明 该 种 钝 化 方 式 对电流崩塌和表面漏电的抑制效果最好。

为在 抑 制 电 流 崩 塌 的 同 时 减 小 漏 电， 并 改 善ＰＥＣＶＤ 钝化带来的致密性差、Ｈ 离 子 杂 质 多 等 问题，可采用原位钝化 ＭＯＣＶＤ 以及 ＬＰＣＶＤ 生长高质量的钝化层。然而致密 性 过 高 的 钝 化 层 难 以 刻 蚀，会影响后续器件工艺开展，对 此 可 采 用 复 合 钝 化 的 办 法，在一层较薄的原位钝化 ＭＯＣＶＤＳｉＮ 或 ＬＰＣＶＤＳｉＮ 上通过ＰＥＣＶＤ 继续生长ＳｉＮ，最终形成的高质量复合钝化层既有很好的保护作用又便于后续器件工艺的进行。

 

（ａ）电流响应；（ｂ）陷阱时间常数

图５ 三种钝化层的效果对比［２２］

 

伴随着材料结构设计和器件制备工艺的持续改进，Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件及其电路的性能也不断刷新着行业记录。
 

在微波毫 米 波 频 率 特 性 方 面，早 在 ２００４ 年 法 国ＧａＮ 研究中心（ＩＥＭＮ）的 Ｍｉｎｋｏ等［２３］率 先 在 电 阻 率 为２０ｋΩ·ｃｍ 的高阻Ｓｉ衬底上制备了栅长为１７０ｎｍ，且ＡｌＧａＮ 势垒层厚度为３０ｎｍ 的 ＧａＮ ＨＥＭＴ射频器件，当源漏电 压 为 １０ Ｖ，栅 电 压 为 １ Ｖ 时，输 出 电 流 为０．５５Ａ／ｍｍ，ｆＴ和ｆｍａｘ分别为４６ＧＨｚ和９２ＧＨｚ；并在２０１３年 Ｂｏｕｚｉｄ等［２４］将 ＡｌＧａＮ 势垒层的厚度降低到１２．５ｎｍ，栅长缩短到９０ｎｍ，当源漏电压为５Ｖ，栅电压为 －２．１ Ｖ 时， 测 得 ｆＴ 和 ｆｍａｘ 分 别 提 高 到 １００ＧＨｚ 和 ２０６ ＧＨｚ。２００９ 年， 瑞 士 联 邦 理 工 学 院（ＥＰＦＬ）与 苏 黎 世 联 邦 理 工 学 院（ＥＴＨ）合作［２５］，采用１７．５ｎｍ Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎ 势垒层，栅长为１００ｎｍ，源漏电压为２．５Ｖ，栅电压为－２Ｖ 时，输出电流为０．７５Ａ／ｍｍ，ｆＴ和ｆｍａｘ分别为１０１ＧＨｚ和１２８ＧＨｚ；２０１５年 Ｍａｒｔｉ等［２６］采 用 ３．５ｎｍ 厚 的 ＡｌＩｎＮ 作 为 势 垒 层，制备了栅长为５０ｎｍ 的 ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ 器件，源漏电压５Ｖ，栅电压２Ｖ 时，输出电流为１．６Ａ／ｍｍ，ｆＴ和ｆｍａｘ分别提升至１４１ＧＨｚ和２３２ＧＨｚ。新加坡南洋理工大学（ＮＴＵ）在大尺寸硅基 ＧａＮ 材料外延与器件制备方面也进 行 了 大 量 的 研 究，２０１２年 Ｎｇ等［２７］基于８英寸Ｓｉ晶圆制备了栅长为０．３μｍ 的Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件，源漏电压为１０Ｖ，栅电压为－２Ｖ 时，测试得到ｆＴ和ｆｍａｘ分别为２８ＧＨｚ和６４ＧＨｚ；接着在２０１４年 Ｒａｎｊａｎ等［２８］又 报 道 了 基 于 高 阻 Ｓｉ衬 底 的 Ｔ 型 栅ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ器件，其采用了厚度仅为８ｎｍ 的ＡｌＧａＮ 势垒层，栅长为０．１５ μｍ，经测试ｆＴ和ｆｍａｘ分别达 到 了 ６３ ＧＨｚ和 １２８ ＧＨｚ，击 穿 电 压 为 １３２ Ｖ，Ｊｏｈｎｓｏｎ品质因子高达８．３２ＴＨｚ·Ｖ。此外，在２０１８年他们还与 ＭＩＴ 合作［２９］报道了４０ｎｍ 栅长的Ｉ型 栅ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ器件，测得ｆＴ和ｆｍａｘ分别达到２５０ＧＨｚ和６０ＧＨｚ。同年，南京电子 器 件 研 究 所 与 苏 州纳米所合作［３０］报道了５５ｎｍ 栅长的 Ｔ 型栅 ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ｎ／ＡｌＮ／ＧａＮＨＥＭＴ器件，经测试ｆＴ和ｆｍａｘ分别为１４５ＧＨｚ和２２０ＧＨｚ，可与国外先进研究成果相媲美。
 

在微波功率方面，日本 ＯＫＩ公司的Ｓｈｉｎｉｃｈｉ等［３１］在２００９年就有相关研究成果报道，在源漏电压为７０Ｖ，工作频率为２．１４ＧＨｚ时，测试高阻Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件功率 特 性，得 到 输 出 功 率 密 度 （Ｐｏｕｔ）达 １２．８８Ｗ／ｍｍ，最大功率附加效率（ＰＡＥ）达６４％，测试结果表明Ｓｉ基 ＧａＮ 在射频应 用 方 面 存 在 巨 大 潜 力；同年，瑞士联邦理工学院的 Ｓｕｎ等［２５］基于９ｎｍ 厚的 ＡｌＩｎＮ势垒层，研制了栅长为１００ｎｍ 的Ｓｉ基 ＧａＮ ＨＥＭＴ器件，在源漏电压为１５Ｖ，工作频率为１０ＧＨｚ时测得Ｐｏｕｔ为 ２．５ Ｗ／ｍｍ，ＰＡＥ 达 ２３％；２０１２ 年，Ｃｈａｎｇ等［３２］采用斜场板结构研制的Ｓｉ基 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ 器件在８ＧＨｚ下 Ｐｏｕｔ达到了５ Ｗ／ｍｍ；２０１４年，日本瑞萨电子的 Ｙａｓｕｈｉｒｏ等［３３］制备了栅长为０．１６ μｍ 的 Ｔ 型栅ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ器件，源漏电压为３０Ｖ，工作频率为１４ＧＨｚ时，Ｐｏｕｔ为３．８２ Ｗ／ｍｍ；同 年，首 尔 大学的 Ｌｅｅ等［３４］报道了研制的Ｓｉ基 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ器件在 ８ ＧＨｚ下 的 功 率 性 能，脉 冲 输 出 功 率 达 ８．１Ｗ／ｍｍ（脉宽为１００μｍ，占空比为１０％），功率增益为８ｄＢ，ＰＡＥ达３９％，总功率接近３０ Ｗ。
 

在 毫 米 波 功 率 方 面， 法 国 ＩＥＭＮ 的 Ｍｅｄｊｄｏｕｂ等［３５］于２０１２年 在 ４ 英 寸 高 阻 Ｓｉ衬 底 上 制 备 了 ＡｌＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ器件并展示了首个４０ＧＨｚ频率下的功率测试结果，得 到 Ｐｏｕｔ为 ２．５ Ｗ／ｍｍ，器 件 结 构 及 ＩＤ－ＶＧＳ曲线如图６所示；２０１３年 Ｍｅｄｊｄｏｕｂ 等［３６］又将 ４０ＧＨｚ下 的 Ｐｏｕｔ提 高 到 ３．２ Ｗ／ｍｍ；２０１５ 年 ＥＴＨ 的Ｍａｒｔｉ等［２６］报道了国际上首个 Ｗ 波段 Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件，工作频率为９４ＧＨｚ时，Ｐｏｕｔ达１．３５ Ｗ／ｍｍ。

图６ ＩＥＭＮ 制备的毫米波器件结构及其ＩＤ －ＶＧＳ曲线［３５］

 

在产品方面，近年来在５Ｇ 通 信 技 术 和 先 进 低 成本相 控 阵 雷 达 得 到 越 来 越 广 泛 应 用 的 大 背 景 下，ＯＭＭＩＣ、ＭＡＣＯＭ、ＩＭＥＣ 以 及 ＭＩＴ 等 海 外 巨 头 公司和机构纷纷加大投入，在器件性能、成本和技术等方面展现出 卓 越 的 市 场 竞 争 实 力，其 中 代 表 公 司 有ＭＡＣＯＭ 和 ＯＭＭＩＣ。
 

ＭＡＣＯＭ 公司自２０１４年起着力研究 Ｓｉ基 ＧａＮ 技术，并逐渐将重心从ＳｉＣ基 ＧａＮ 芯片转移过来，截至目前已经开发了多代Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件，向通信、军事以及其他应用领域的客 户 提 供 了 上 百 万 件 基 于Ｓｉ基ＧａＮ技术的产品。采用标准的０．５μｍ ＨＥＭＴ工艺制程制备的分立 及 集 成 放 大 器，能够在直流到６ＧＨｚ的超宽频带范围内工作，同时产品的增益、增益平坦度、效率以及 稳 定 性 均 处 于 行 业 领 先 水 平，如 ＮＰＴＢ００００４Ａ
 

型宽带 ＧａＮ晶体管在２８Ｖ工作电压以及２．５ＧＨｚ频率下的线 性 增 益 达 １４．８ｄＢ，Ｐｏｕｔ为 ５ Ｗ，且 ＰＡＥ 超 过５５％，凭借其超 宽 的 工 作 频 率 范 围 可 应 用 于 Ｌ／Ｃ波段雷达、无线通信 以 及 航 空 航 天 等 领 域。此外 ＭＡＣＯＭ公司还于２０１８年宣布了与意法半导体（ＳＴ）的合作计划，由ＳＴ协助 ＭＡＣＯＭ 生产晶圆，显著提升了Ｓｉ基 ＧａＮ射频芯片的产能以及国际竞争力。
 

ＯＭＭＩＣ公司于２００６年 开 始 Ｓｉ基 ＧａＮ 毫 米 波 功放的研究，并于２０１５年开发出１００ｎｍ 制程下的Ｓｉ基ＧａＮ 器件 制 备 工 艺 技 术 （Ｄ０１ＧＨ）， 在 ３０ ＧＨｚ 时，Ｐｏｕｔ达３．３ Ｗ／ｍｍ，４０ＧＨｚ下的噪声系数为 １．５ｄＢ，已接近 ＳｉＣ 基 ＧａＮ 器件性能。紧接着在２０１６年公布了首个基于Ｓｉ基 ＧａＮ 技术的高性能 Ｔ／Ｒ 芯片，能够在３７～４３ＧＨｚ频率范围内工作，４０ＧＨｚ下的总输出功率达１０ Ｗ，且 ＰＡＥ达３０％，实现了低噪放、功放以及开关的单片集成，可 较 好 地 应 用 于 雷 达、通信以及航空等领域。目前 ＯＭＭＩＣ 公 司 已 具 备 全 球 领 先 的６英 寸 Ｓｉ基 ＧａＮ 生 产 线， 并 且 制 程 推 进 到 ６０ｎｍ（Ｄ００６ＧＨ），未来将继续向下开发４０ｎｍ 线宽的Ｓｉ基ＧａＮ 制程，并向市场提供功放、低噪放、开关以及移相器完全集成，且兼容增强型和耗尽型器件的 Ｔ／Ｒ 芯片单片化方案，其 Ｔ／Ｒ 芯片的发展路线如图７所示。可见 尽 管 Ｓｉ基 ＧａＮ 器 件 在 性 能 方 面 与 ＳｉＣ 基ＧａＮ 器件相比还存在差距，但 是 随 着 材 料 生 长 技 术 和器件制备工艺的逐渐成熟，Ｓｉ基 ＧａＮ 器件的截止频率和功率密度 等 主 要 参 数 都 在 逐 步 提 高，未 来 达 到 与ＳｉＣ基 ＧａＮ 相媲美的 性 能 指 日 可 待。同时微波毫米波频段下基于 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 频 器 件 的 产 品 也 陆续得以发布，展现出了巨大的竞争潜力，相 信 在 未 来 将 逐 步 占据更大的市场份额。

 

 

图７ ＯＭＭＩＣ公司发布的０．１μｍＳｉ基 ＧａＮ 收发芯片

 

图８为 制 备 的 ０．２５ μｍ 和 ０．４ μｍ 栅 长 的 Ｓｉ基ＧａＮ 材料与器件结构示意图，本 结 构 的 外 延 层 总 厚 度仅有２μｍ 左右，既能满足典型２８Ｖ 电压下的正常射频工作，又可确保材 料 具 备 较 低 的 热 阻，同时对 ＧａＮ缓冲层进行一定浓度的 Ｃ 掺杂后 测 得 射 频 损 耗（０．７２ｄＢ／ｍｍ＠４ＧＨｚ）已接近ＳｉＣ基 ＧａＮ 材料的结果（０．５４ｄＢ／ｍｍ＠４ＧＨｚ），此 外 还 采 用 了 基 于 难 熔 Ｗ 金属的叠层 Ｖ 型 栅 结 构，以 得 到 更 大 的 击 穿 电 压 和 更 高 的频率。

图８ Ｓｉ基 ＧａＮ 射频材料与器件结构示意图

 

经直流 测 试，０．２５ μｍ 器 件 的 最 大 电 流 密 度（ＩＤＳ.ｍａｘ）达０．９７Ａ／ｍｍ，峰值跨导（Ｇｍ.ｍａｘ）为０．２９Ｓ／ｍｍ，０．４μｍ 器 件 的 ＩＤＳ.ｍａｘ为 ０．９５ Ａ／ｍｍ，Ｇｍ.ｍａｘ为０．２６Ｓ／ｍｍ。此外按照ＩＤＳ＝１ｍＡ／ｍｍ 的标准，０．２５μｍ 和０．４μｍ 器 件 的 击 穿 电 压 均高于８０Ｖ，满足２８Ｖ 工作需求。频率方面，经测试去嵌后０．４ μｍ 器件的ｆＴ和ｆｍａｘ分 别 为 ２７ ＧＨｚ和 ３３ ＧＨｚ；而 根 据 －２０ｄＢ／ｄｅｃ斜率外推 |ｈ２１ |２和 ＭＳＧ／ＭＡＧ，得０．２５μｍ器件的ｆＴ和ｆｍａｘ分别为３５ＧＨｚ和４２ＧＨｚ。
 

经 Ｌｏａｄ－Ｐｕｌｌ连续波功率测试，０．４ μｍ 器件在频率为４ＧＨｚ，电压为２８Ｖ 下 的 线 性 增 益 高 达１７ｄＢ，ＰＡＥ约为５０％，Ｐｏｕｔ为４．５ Ｗ／ｍｍ。图９显示了０．２５μｍ 器件在１０ＧＨｚ的测试结果，源 漏 偏 置 电 压 为２０Ｖ，线性增益为１２．３ｄＢ，Ｐｏｕｔ为３．６ Ｗ／ｍｍ，ＰＡＥ 约为４５％。

 

图９ １０ＧＨｚ时Ｓｉ基 ＧａＮ 器件的功率特性

 

此外，还将０．２５ μｍ 工艺 Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件在１０ＧＨｚ左右的 功 率 特 性 分 别 与 国 外 研 究 成 果 进 行 对比，如表１所示，可见研制的Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件功率特性良好，达到国际先进水平。

表１ Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件在 Ｘ 波段下功率特性对比

通过对 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 频 器 件 在 材 料 生 长、器件制备以及器件性能等方面的调研分析，介绍了改善Ｓｉ基ＧａＮ 材料结构 缺 陷 并 优 化 器 件 制 备 流 程 的可靠途径。材料方面，超 晶 格 缓 冲 层、背 势 垒 层、Ｃ 掺 杂 ＧａＮ层、高质量成核层、ＧａＮ 帽 层 以 及 高 绝 缘 度 衬 底 等 结构设计，均有助于 改 善 晶 格 失 配、漏 电 及 射 频 损 耗 等问题，而面向于射频领域的 Ｓｉ基 ＧａＮ 材料结构还应控制外延层厚度 以 获 得 较 低 的 热 阻；工艺方面，为最大降低成本，无 Ａｕ工艺是必要选择，对于无 Ａｕ欧姆接触工艺，结合二次外延 ｎ＋ －ＧａＮ 以及势垒层刻槽等技术有助于提升表面 形 貌 并 降 低 接 触 电 阻，同时结合ＰＥＣＶＤ、原位钝化和 ＬＰＣＶＤ 的复合 钝 化 工 艺 在 对 表面的保护和漏电的抑制方面均表现出良好的效果。
 

低成本、批量化的生产Ｓｉ基 ＧａＮ 射频器件是５Ｇ通信、射频源等应 用 实 现 的 重 要 保 障。尽管目前国内外各研究机构在 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 频 材 料 外 延 与器件性能方面取得了一定进展，但是性能上与ＳｉＣ衬底 ＧａＮ 相比仍然存在较大差距，而且可靠性 未 得 到 长 期 验 证，离产业化尚存在较大距离。未来，通 过 提 高 外 延 材 料质量，开发兼容 ＣＭＯＳ的大尺寸制造工艺，提高Ｓｉ基ＧａＮ 器件与电路芯片性能，降低生产成本，有望推动ＧａＮ 射频技术在各类民生领域的普及应用。