寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)最新進(jìn)展

摘要： 介紹DARPA寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃第二階段計(jì)劃目標(biāo)及其演示進(jìn)展情況。

關(guān)鍵詞： GaN;  SiC;  AlN; 寬禁帶半導(dǎo)體材料; 功率放大器

引言

在過(guò)去的幾年里，由于美國(guó)政府與商業(yè)部門的大力支持，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)展迅速。尤其是2002年美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)實(shí)施的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃(WBGSTI)，成為加速改進(jìn)SiC、GaN以及AlN等寬禁帶半導(dǎo)體材料特性的重要“催化劑”。

該計(jì)劃的目標(biāo)有四個(gè)，即：生產(chǎn)4英寸高質(zhì)量SiC基底；開(kāi)發(fā)其他寬禁帶半導(dǎo)體基底材料；研制一致性AlGaN/GaN高電子遷移率晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)；研究寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的相互關(guān)系。

該計(jì)劃分三個(gè)階段進(jìn)行。在第一階段(2002～2004年)，市場(chǎng)銷售SiC基底的直徑已由2英寸增加到3英寸； 2006年4英寸SiC基底可以商品化。第一階段計(jì)劃的成功實(shí)施為其順利進(jìn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。第二階段(2005～2007年)計(jì)劃稱作“射頻應(yīng)用寬禁帶半導(dǎo)體計(jì)劃”(WBGS-RF)，其目的是利用寬帶隙半導(dǎo)體材料制作并演示射頻功率放大器，提高其功率附加效率、帶寬以及功率密度，并最終實(shí)現(xiàn)GaN基高可靠、高性能微波與毫米波器件的大批量生產(chǎn)。第三階段將在2008～2009年進(jìn)行，將研制成功GaN基高可靠、高性能MMIC(微波集成電路)，并在若干種模塊中演示其應(yīng)用。

第二階段計(jì)劃已于2005年5月啟動(dòng)，并取得一定進(jìn)展。下面介紹第二階段計(jì)劃目標(biāo)及演示進(jìn)展情況。
　　
第二階段計(jì)劃目標(biāo)

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局射頻應(yīng)用寬禁帶半導(dǎo)體材料計(jì)劃第二階段計(jì)劃是一項(xiàng)全面計(jì)劃，其目的是設(shè)計(jì)、制作與演示具有高性能、高可靠性以及成本可承受的寬禁帶半導(dǎo)體器件。具體的計(jì)劃目標(biāo)是：
*演示可制造以及可生產(chǎn)的寬禁帶半導(dǎo)體器件以及單片MMIC制作工藝；
*演示的寬禁帶半導(dǎo)體器件以及MMIC不僅可以生產(chǎn)，可靠性高，而且性能絕對(duì)優(yōu)于基于GaAs的微波/毫米波器件以及MMIC；
*理解寬禁帶半導(dǎo)體器件的降級(jí)機(jī)理，研制魯棒、高可靠的寬禁帶半導(dǎo)體器件以及MMIC；
*為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)寬禁帶半導(dǎo)體器件的射頻性能，開(kāi)發(fā)并使用物理模型；
*通過(guò)熱擴(kuò)散以及冷卻，演示出眾的熱量管理策略。
　　
演示結(jié)果

為了演示寬禁帶半導(dǎo)體器件以及MMIC的普遍適用性，該計(jì)劃由3個(gè)小組分別進(jìn)行演示。這三個(gè)小組分別制作并演示有關(guān)器件。下面介紹演示器件性能及結(jié)果。

寬帶大功率放大器

在這項(xiàng)演示中，由TriQuint半導(dǎo)體以及BAE系統(tǒng)等公司組成的聯(lián)合研制小組將演示功率放大器以及MMIC，其瞬時(shí)帶寬超過(guò)10倍(如從2GHz到20GHz)。表1給出該演示的具體性能指標(biāo)要求。隨著計(jì)劃的進(jìn)展，承包商將達(dá)到或超越這些具體的繼續(xù)/不繼續(xù)(GNG)里程碑。

TriQuint半導(dǎo)體公司負(fù)責(zé)的研制小組取得的最新進(jìn)展是：
*演示器件漏偏壓35V，單元尺寸400μm，功率密度6.5 W/mm，PAE 58%，功率增益11.7 dB；
*漏偏壓從30V增加到40V，PAE＞60%，功率增益＞12dB，功率密度＞7W/mm；
*通過(guò)降低柵極泄漏、提高擊穿電壓以及進(jìn)一步降低缺陷密度而提高器件可靠性，只有充分理解失效的物理原理，這些手段才有可能變成現(xiàn)實(shí)；
*對(duì)利用9個(gè)3英寸晶片制作的器件進(jìn)行的演示表明：在10 GHz時(shí)其最大穩(wěn)定增益的射頻一致性為0.9 dB；

提高可靠性是WBGS-RF計(jì)劃第二階段至關(guān)重要的目標(biāo)，為此，需要對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行深刻的理解。為了改善直流與射頻壽命測(cè)試可靠性，需要改變器件工藝與設(shè)計(jì)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)有關(guān)目標(biāo)非常關(guān)鍵。圖1給出Vds=30V時(shí)的射頻可靠性測(cè)試實(shí)例。從圖1中可以看出，在100小時(shí)的測(cè)試周期內(nèi)，器件的輸出功率波動(dòng)在0.5 dB以內(nèi)。

圖1 X波段器件短期射頻穩(wěn)定性測(cè)試圖

X波段收發(fā)模塊

WBGS-RF模塊的特性通常要等于或者優(yōu)于當(dāng)前的收發(fā)(T/R)模塊(能夠在相同頻段發(fā)射10W等幅波輸出)。雷聲-Cree公司聯(lián)合研究小組研制的功率放大器MMIC將滿足表2中的性能指標(biāo)要求。同前述研究相似，可靠性任務(wù)包括通過(guò)生長(zhǎng)AlGaN化合物以及摻雜，最優(yōu)化GaN蓋層以及AlGaN肖特基層，從而減少柵極泄漏。摻鐵GaN能夠使緩沖區(qū)泄漏最小化，同時(shí)，改善的生長(zhǎng)環(huán)境能夠降低3英寸晶片的位錯(cuò)密度。最新器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及工藝的優(yōu)化，使得器件的射頻性能得到明顯改善(見(jiàn)圖2)。

圖2 X波段器件（樣本）的射頻性能

需要指出的是，X波段收發(fā)模塊寬帶大功率放大器在熱量管理方面仍面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)，即：準(zhǔn)確地測(cè)定結(jié)溫以及解決因GaN熱膨脹帶來(lái)的阻抗失配問(wèn)題。

Q波段大功率放大器

這項(xiàng)演示由諾斯羅普