房柏彤,朱廣潤(rùn),張 凱,郭懷新,陳堂勝

(南京電子器件研究所,江蘇 南京 210016)

第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)材料具有禁帶寬度大、電子飽和速度及電子遷移率高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高等特性[1],使GaN HEMT器件擁有高頻率、高功率、耐高溫高壓、抗輻射等優(yōu)點(diǎn),在射頻領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景,得到了美國(guó)Cree等半導(dǎo)體巨頭公司的關(guān)注[2-4],國(guó)內(nèi)也有北大、西電[5]以及中國(guó)電科等單位進(jìn)行長(zhǎng)期的研究。

碳化硅(SiC)材料的熱導(dǎo)率高,晶格匹配性?xún)?yōu)異,由其外延得到的GaN 薄膜結(jié)晶質(zhì)量是最優(yōu)的,然而SiC襯底的價(jià)格高昂,晶圓尺寸小(3～4英寸為主),不利于GaN射頻器件的產(chǎn)業(yè)化。硅(Si)材料的價(jià)格低廉、晶圓尺寸大(≥6英寸)、熱導(dǎo)率良好,若能解決Si CMOS工藝與GaN制備工藝的兼容問(wèn)題,即可低成本、大規(guī)模地生產(chǎn)GaN射頻器件,進(jìn)而推動(dòng)5G通信及其他新興技術(shù)的普及應(yīng)用。此外,除了傳統(tǒng)的單一射頻芯片或功率器件外,還可利用Si工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)GaN射頻器件與功率器件的單片集成,以及與Si器件的異質(zhì)異構(gòu)集成等,大幅提升電路性能與集成密度,推動(dòng)智能前端芯片技術(shù)發(fā)展。因此Si基GaN 技術(shù)正受到國(guó)內(nèi)外科研院所與產(chǎn)業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注[6-8]。

本文主要調(diào)研了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于Si基GaN 射頻器件在材料、工藝與電路上的研究進(jìn)展,剖析了相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)與存在問(wèn)題,并展望了Si基GaN 射頻器件未來(lái)的優(yōu)化發(fā)展方向。此外還基于射頻損耗較低的高阻Si上AlGaN/GaN HEMT 材料,報(bào)道了研制的0.25μm及0.4μm工藝下的Si基GaN射頻器件,經(jīng)測(cè)試在C波段及X波段下工作性能優(yōu)異,揭示了Si基GaN射頻器件在5G 應(yīng)用及低成本雷達(dá)等領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代初,Khan等[9]在藍(lán)寶石襯底上率先制得了AlGaN/GaN 結(jié)構(gòu),隨后AlGaN/GaN HEMT的直流及微波特性相繼被報(bào)道[10-11],關(guān)于GaN HEMT器件的研究逐漸成為熱點(diǎn)。由于GaN 單晶難以制備,GaN HEMT器件一般由異質(zhì)外延生長(zhǎng)得到,所使用的襯底材料有SiC、藍(lán)寶石、Si三種。半絕緣SiC材料由于具備良好的晶格匹配性和優(yōu)良的熱導(dǎo)率,一直是GaN HEMT外延襯底的最佳選擇。然而,SiC作為襯底存在著晶圓尺寸小、成本過(guò)高的問(wèn)題,嚴(yán)重限制了GaN器件的推廣應(yīng)用。而對(duì)于藍(lán)寶石襯底,其晶圓尺寸較大且價(jià)格較為便宜,但其硬度太高、熱導(dǎo)率極低且晶格失配大,不利于后續(xù)加工與應(yīng)用。相較之下,Si襯底上GaN技術(shù)不僅具有較好的熱導(dǎo)率和最低的襯底成本,而且晶圓尺寸大,起點(diǎn)6英寸且易升級(jí)到8英寸以上,并可與Si工藝線兼容,具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)和規(guī)?；a(chǎn)能力。下面將介紹近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于Si基GaN射頻器件的研究進(jìn)展。

1.1 Si基GaN射頻材料優(yōu)化生長(zhǎng)

Si與GaN之間存在的較大晶格失配和熱失配是制約Si基GaN技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸,由失配產(chǎn)生的位錯(cuò)與應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)晶質(zhì)量,并惡化器件性能。因此如何消除各外延層之間的應(yīng)力,探究出有效的應(yīng)力調(diào)控技術(shù),是改善Si基GaN 射頻器件各項(xiàng)特性的基礎(chǔ)。此外,與電力電子器件不同,Si基GaN射頻器件由于高阻Si晶圓難以制備,且襯底與成核層界面處易形成導(dǎo)電層,導(dǎo)致器件在高頻工作狀態(tài)下存在射頻損耗,限制輸出功率和效率。因此,如何優(yōu)化襯底及外延結(jié)構(gòu),抑制射頻損耗,是實(shí)現(xiàn)Si基GaN 射頻器件大規(guī)模高效應(yīng)用的關(guān)鍵。

2019年,Tzeng等[12]在8英寸Si襯底上分別制備了Al組分漸變AlGaN 緩沖層和AlGaN/GaN 超晶格緩沖層兩種結(jié)構(gòu)的GaN HEMT 器件,如圖1所示。經(jīng)TEM、XRD、拉曼光譜、AFM、EPD、直流特性以及頻率特性等系統(tǒng)地測(cè)試分析比較兩種結(jié)構(gòu)對(duì)器件各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響,發(fā)現(xiàn)采用AlGaN/GaN 超晶格緩沖層結(jié)構(gòu)的器件無(wú)論是結(jié)晶質(zhì)量還是直流特性或頻率特性均展現(xiàn)出更優(yōu)的測(cè)試結(jié)果,在0.17μm 柵長(zhǎng)下測(cè)得fT和fmax分別達(dá)到41.6 GHz和126.46 GHz。同年Yang等[13]設(shè)計(jì)了Si摻雜的AlGaN背勢(shì)壘層以及C摻雜的GaN緩沖層得到了漏電小、耐擊穿且電流崩塌效應(yīng)低的Si基AlGaN/GaN HEMT 器件。2020 年,Xia等[14]分析了GaN 和SiN 兩種不同帽層結(jié)構(gòu)對(duì)AlN/GaN HEMT器件性能退化的抑制效果,發(fā)現(xiàn)帶有3.5 nm原位鈍化SiN帽層以及4.5 nm AlN勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)的Si基GaN HEMT器件具有最低的薄層電阻、最高的二維電子氣濃度(Two-Dimensional Electron Gas Density)以及最好的穩(wěn)定性。

圖1 采用組分漸變AlGaN的緩沖層結(jié)構(gòu)(a)和AlGaN/GaN超晶格的緩沖層結(jié)構(gòu)(b)[12]Fig.1 Structure of stacked Al x Ga1-x N buffer(a)and AlGaN/GaN superlattice buffer(b)[12]

2017年,Luong等[15]采用HLH Temperature的生長(zhǎng)模式在高阻Si襯底(104Ω·cm)上外延出100 nm的AlN緩沖層,得到的GaN HEMT 有效抑制了因AlN/Si之間晶格失配所產(chǎn)生的張應(yīng)力,從而降低極化電場(chǎng)強(qiáng)度,減小射頻損耗。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)度為1 mm 的共面波導(dǎo)(CPW)測(cè)試,10 GHz下射頻損耗僅0.4 dB/mm,40 GHz下的射頻損耗低于1.2 dB/mm,材料結(jié)構(gòu)及測(cè)試結(jié)果如圖2所示。同年,Cordier等[16]采用NH3-MBE技術(shù),在高阻Si襯底(104Ω·cm)上生長(zhǎng)了0.2μm的AlN 成核層和0.5μm 的GaN 緩沖層,此生長(zhǎng)模式相較于MOCVD 更易控制AlN/Si間的界面態(tài),且其低溫生長(zhǎng)特性能在抑制界面態(tài)漏電的同時(shí)保證高結(jié)晶質(zhì)量。經(jīng)測(cè)試35 GHz下的射頻損耗低于0.3 dB/mm,且70 GHz下的射頻損耗低于0.5 dB/mm,并對(duì)比了不同Al N生長(zhǎng)溫度對(duì)射頻損耗的影響,如圖3所示。此外,Chiu等[17]利用絕緣襯底上硅(SOI)制備了AlGaN/GaN MISHEMT,采用SOI 襯底的HEMT器件具有低寄生電容、低射頻損耗、高襯底絕緣度等適用于射頻器件的優(yōu)點(diǎn),經(jīng)測(cè)試0.25μm 柵長(zhǎng)下fT和fmax分別達(dá)32.1 GHz和51.9 GHz。

可以看出合理的帽層、勢(shì)壘層以及緩沖層等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但能夠調(diào)控應(yīng)力提高結(jié)晶質(zhì)量,還能使器件具備優(yōu)異的直流特性和頻率特性,與此同時(shí)要優(yōu)化襯底及成核層結(jié)構(gòu)以求降低射頻損耗,一方面可以提高AlN的結(jié)晶質(zhì)量并抑制AlN/Si間的界面態(tài),另一方面應(yīng)從緩沖層及Si襯底入手,提高器件絕緣度,減小漏電。

圖2 高低阻Si襯底上外延100 nm HLH AlN的射頻損耗[15]Fig.2 RF loss of 100 nm HLH AlN on HR or LRSi substrate[15]

1.2 無(wú)金的Si基GaN工藝技術(shù)

現(xiàn)有的Si基射頻GaN 器件制造工藝幾乎都是基于有金(Au)工藝完成的。Au是傳統(tǒng)GaN器件歐姆接觸工藝中的必備金屬之一,采用Ti/Al/X/Au(X 可為T(mén)i、Ni、Mo、Pt等)結(jié)構(gòu)合金的接觸電阻可達(dá)到0.3 Ω·mm 左右,且性能穩(wěn)定。然而,含Au的GaN 制備工藝存在著成本高以及與傳統(tǒng)CMOS工藝不兼容等問(wèn)題,提高了Si基GaN 射頻器件的生產(chǎn)成本。實(shí)現(xiàn)無(wú)Au工藝的關(guān)鍵是做到源漏金屬的無(wú)Au化,對(duì)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,所獲得的歐姆接觸電阻一般在0.5～1.0Ω·mm,盡管這些方案能夠一定程度地滿足電力電子功率器件的需求,然而面對(duì)射頻器件對(duì)寄生電阻的嚴(yán)格要求仍存在較大的差距。

圖3 不同溫度下采用NH3-MBE技術(shù)生長(zhǎng)GaN/AlN緩沖層的射頻損耗對(duì)比[16]Fig.3 RF loss of GaN/AlN buffer layers grown by NH3-MBE at different temperatures[16]

2017年,Ferreyra等[18]采用脈沖激光燒蝕技術(shù)(PLD),在Si襯底上制備了表面光滑且形貌良好的n+-GaN,并在其上淀積Hf/Al/Ti(20/200/20 nm)形成無(wú)Au歐姆接觸,此外Hf金屬的功函數(shù)(3.5 e V)低于Ti(4.1 eV)與TiN(4.7 eV),故更適合作為歐姆接觸的電極,經(jīng)測(cè)試得到接觸電阻為0.17Ω·mm,比接觸電阻可達(dá)10-7Ω·cm2量級(jí)。2018 年,Zhang等[19]在Si襯底上經(jīng)勢(shì)壘層刻槽處理后,采用Ti/Al/Ti/TiN(2.5/100/20/60 nm)的無(wú)Au歐姆接觸工藝制備了AlGaN/GaN HEMT器件,退火后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中底層金屬Ti的厚度僅為2.5 nm,既能夠形成厚度適宜的TiN 層讓Al與TiN 發(fā)生固相反應(yīng)生成AlN,又不會(huì)因Ti太厚而阻止兩者反應(yīng),使接觸電阻大大降低,在550℃下合金得到的接觸電阻與比接觸電阻分別為0.21Ω·mm和1.16×10-6Ω·cm2。

可見(jiàn)采用二次外延高質(zhì)量n+-GaN、勢(shì)壘層刻槽以及無(wú)Au歐姆接觸等技術(shù),能夠得到較低的接觸電阻和比接觸電阻并改善表面形貌。此外無(wú)Au的歐姆接觸工藝也為實(shí)現(xiàn)無(wú)Au的Si基GaN技術(shù),降低生產(chǎn)成本提供了保障。

圖4 Ti/Al/Ti/TiN在550℃退火后的HR-TEM 圖[19]Fig.4 HR-TEM images of Ti/Al/Ti/TiN after 550℃annealing[19]

1.3 復(fù)合鈍化的Si基GaN工藝技術(shù)

為了解決Si基GaN 射頻器件的電流崩塌問(wèn)題,一般需要在器件表面淀積SiN 鈍化保護(hù)層,其能夠有效抑制表面態(tài)對(duì)電子的俘獲效應(yīng),從而抑制電流崩塌,但是與此同時(shí)溝道的電子濃度也會(huì)提高,短溝道效應(yīng)也隨之加劇,惡化輸出特性和關(guān)斷特性。此外SiN鈍化層通常由PECVD低溫生長(zhǎng)得到,此工藝會(huì)導(dǎo)致SiN薄膜中H離子雜質(zhì)過(guò)多且致密性較差,鈍化效果不理想。并且由于Si襯底的絕緣度遠(yuǎn)不如SiC襯底,漏電問(wèn)題也嚴(yán)重制約著Si基GaN 射頻器件的性能。因此探究高水平的先進(jìn)鈍化工藝是有效抑制電流崩塌和表面漏電的關(guān)鍵技術(shù)方案。LPCVD不同于PECVD,是一種高溫鈍化SiN 的工藝,通常在器件工藝開(kāi)始前完成,生長(zhǎng)得到的鈍化層致密性好、質(zhì)量高。原位鈍化MOCVD是一種在GaN生長(zhǎng)結(jié)束后繼續(xù)生長(zhǎng)SiN保護(hù)層的方法,能夠有效避免器件表面受到外界環(huán)境的污染,故鈍化效果良好。

2019年,Zhang等[20]采用LPCVD 技術(shù)在GaN表面生長(zhǎng)了一層20 nm 的SiN 鈍化層,經(jīng)CV 測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)由LPCVD 生長(zhǎng)的鈍化層相較于PECVD 具備更好的致密性,并且能夠有效抑制表面漏電。2020年,Chen等[21]采用原位鈍化MOCVD 技術(shù)在勢(shì)壘層上生長(zhǎng)了3 nm的SiN作為柵介質(zhì),制得0.7μm 柵長(zhǎng)的AlGaN/GaN MISHEMT器件性能良好,電路開(kāi)關(guān)比達(dá)106,電流退化率為18%,測(cè)得fT和fmax分別為12.5 GHz和15 GHz。為了比較PECVD、LPCVD復(fù)合鈍化以及原位鈍化MOCVD對(duì)電流崩塌以及表面漏電的抑制作用,Huang等[22]用上述三種不同的方式在同種器件結(jié)構(gòu)上制備了三種SiN鈍化層,鈍化效果對(duì)比如圖5 所示,可以看出LPCVD 復(fù)合鈍化層(Bilayer)的曲線波動(dòng)是最小的,說(shuō)明該種鈍化方式對(duì)電流崩塌和表面漏電的抑制效果最好。

為在抑制電流崩塌的同時(shí)減小漏電,并改善PECVD鈍化帶來(lái)的致密性差、H 離子雜質(zhì)多等問(wèn)題,可采用原位鈍化MOCVD以及LPCVD生長(zhǎng)高質(zhì)量的鈍化層。然而致密性過(guò)高的鈍化層難以刻蝕,會(huì)影響后續(xù)器件工藝開(kāi)展,對(duì)此可采用復(fù)合鈍化的辦法,在一層較薄的原位鈍化MOCVD SiN 或LPCVD SiN 上通過(guò)PECVD繼續(xù)生長(zhǎng)SiN,最終形成的高質(zhì)量復(fù)合鈍化層既有很好的保護(hù)作用又便于后續(xù)器件工藝的進(jìn)行。

圖5 三種鈍化層的效果對(duì)比[22]Fig.5 Comparison of three different passivation[22]

1.4 Si基GaN射頻器件與電路設(shè)計(jì)

伴隨著材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件制備工藝的持續(xù)改進(jìn),Si基GaN射頻器件及其電路的性能也不斷刷新著行業(yè)記錄。

在微波毫米波頻率特性方面,早在2004年法國(guó)GaN研究中心(IEMN)的Minko等[23]率先在電阻率為20 kΩ·cm的高阻Si襯底上制備了柵長(zhǎng)為170 nm,且AlGaN勢(shì)壘層厚度為30 nm的GaN HEMT射頻器件,當(dāng)源漏電壓為10 V,柵電壓為1 V 時(shí),輸出電流為0.55 A/mm,fT和fmax分別為46 GHz和92 GHz;并在2013年Bouzid等[24]將AlGaN勢(shì)壘層的厚度降低到12.5 nm,柵長(zhǎng)縮短到90 nm,當(dāng)源漏電壓為5 V,柵電壓為-2.1 V 時(shí),測(cè)得fT和fmax分別提高到100 GHz和206 GHz。2009 年,瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)合作[25],采用17.5 nm Al0.26Ga0.74N 勢(shì)壘層,柵長(zhǎng)為100 nm,源漏電壓為2.5 V,柵電壓為-2 V 時(shí),輸出電流為0.75 A/mm,fT和fmax分別為101 GHz和128 GHz;2015年Marti等[26]采用3.5 nm 厚的AlInN 作為勢(shì)壘層,制備了柵長(zhǎng)為50 nm 的AlIn N/GaN HEMT器件,源漏電壓5 V,柵電壓2 V時(shí),輸出電流為1.6 A/mm,fT和fmax分別提升至141 GHz和232 GHz。新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)在大尺寸硅基GaN 材料外延與器件制備方面也進(jìn)行了大量的研究,2012年Ng等[27]基于8英寸Si晶圓制備了柵長(zhǎng)為0.3μm的Si基GaN射頻器件,源漏電壓為10 V,柵電壓為-2 V 時(shí),測(cè)試得到fT和fmax分別為28 GHz和64 GHz;接著在2014年Ranjan等[28]又報(bào)道了基于高阻Si襯底的T 型柵AlGaN/GaN HEMT器件,其采用了厚度僅為8 nm的AlGaN勢(shì)壘層,柵長(zhǎng)為0.15μm,經(jīng)測(cè)試fT和fmax分別達(dá)到了63 GHz和128 GHz,擊穿電壓為132 V,Johnson品質(zhì)因子高達(dá)8.32 THz·V。此外,在2018年他們還與MIT合作[29]報(bào)道了40 nm 柵長(zhǎng)的I型柵In AlN/GaN HEMT器件,測(cè)得fT和fmax分別達(dá)到250 GHz和60 GHz。同年,南京電子器件研究所與蘇州納米所合作[30]報(bào)道了55 nm 柵長(zhǎng)的T型柵AlGa(In)N/AlN/GaN HEMT器件,經(jīng)測(cè)試fT和fmax分別為145 GHz和220 GHz,可與國(guó)外先進(jìn)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年就有相關(guān)研究成果報(bào)道,在源漏電壓為70 V,工作頻率為2.14 GHz時(shí),測(cè)試高阻Si基GaN射頻器件功率特性,得到輸出功率密度(Pout)達(dá)12.88 W/mm,最大功率附加效率(PAE)達(dá)64%,測(cè)試結(jié)果表明Si基GaN在射頻應(yīng)用方面存在巨大潛力;同年,瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Sun等[25]基于9 nm 厚的AlInN勢(shì)壘層,研制了柵長(zhǎng)為100 nm的Si基GaN HEMT器件,在源漏電壓為15 V,工作頻率為10 GHz時(shí)測(cè)得Pout為2.5 W/mm,PAE 達(dá)23%;2012 年,Chang等[32]采用斜場(chǎng)板結(jié)構(gòu)研制的Si基AlGaN/GaN器件在8 GHz下Pout達(dá)到了5 W/mm;2014年,日本瑞薩電子的Yasuhiro等[33]制備了柵長(zhǎng)為0.16μm 的T型柵AlGaN/GaN HEMT器件,源漏電壓為30 V,工作頻率為14 GHz時(shí),Pout為3.82 W/mm;同年,首爾大學(xué)的Lee等[34]報(bào)道了研制的Si基AlGaN/GaN HEMT器件在8 GHz下的功率性能,脈沖輸出功率達(dá)8.1 W/mm(脈寬為100μm,占空比為10%),功率增益為8 dB,PAE達(dá)39%,總功率接近30 W。

在毫米波功率方面,法國(guó)IEMN 的Medjdoub等[35]于2012年在4英寸高阻Si襯底上制備了AlN/GaN HEMT器件并展示了首個(gè)40 GHz頻率下的功率測(cè)試結(jié)果,得到Pout為2.5 W/mm,器件結(jié)構(gòu)及IDVGS曲線如圖6所示;2013年Medjdoub等[36]又將40 GHz下的Pout提高到3.2 W/mm;2015 年ETH 的Marti等[26]報(bào)道了國(guó)際上首個(gè)W 波段Si基GaN 射頻器件,工作頻率為94 GHz時(shí),Pout達(dá)1.35 W/mm。

圖6 IEMN制備的毫米波器件結(jié)構(gòu)及其I D-V GS曲線[35]Fig.6 Millimeter wave device structure and its I D-V GS characteristic designed by IEMN[35]

在產(chǎn)品方面,近年來(lái)在5G 通信技術(shù)和先進(jìn)低成本相控陣?yán)走_(dá)得到越來(lái)越廣泛應(yīng)用的大背景下,OMMIC、MACOM、IMEC 以及MIT 等海外巨頭公司和機(jī)構(gòu)紛紛加大投入,在器件性能、成本和技術(shù)等方面展現(xiàn)出卓越的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力,其中代表公司有MACOM 和OMMIC。

MACOM公司自2014年起著力研究Si基GaN技術(shù),并逐漸將重心從SiC基GaN芯片轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái),截至目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多代Si基GaN射頻器件,向通信、軍事以及其他應(yīng)用領(lǐng)域的客戶(hù)提供了上百萬(wàn)件基于Si基GaN技術(shù)的產(chǎn)品。采用標(biāo)準(zhǔn)的0.5μm HEMT工藝制程制備的分立及集成放大器,能夠在直流到6 GHz的超寬頻帶范圍內(nèi)工作,同時(shí)產(chǎn)品的增益、增益平坦度、效率以及穩(wěn)定性均處于行業(yè)領(lǐng)先水平,如NPTB00004A型寬帶GaN晶體管在28 V工作電壓以及2.5 GHz頻率下的線性增益達(dá)14.8 dB,Pout為5 W,且PAE超過(guò)55%,憑借其超寬的工作頻率范圍可應(yīng)用于L/C波段雷達(dá)、無(wú)線通信以及航空航天等領(lǐng)域。此外MACOM公司還于2018年宣布了與意法半導(dǎo)體(ST)的合作計(jì)劃,由ST協(xié)助MACOM 生產(chǎn)晶圓,顯著提升了Si基GaN射頻芯片的產(chǎn)能以及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

OMMIC公司于2006年開(kāi)始Si基GaN 毫米波功放的研究,并于2015年開(kāi)發(fā)出100 nm 制程下的Si基GaN器件制備工藝技術(shù)(D01GH),在30 GHz時(shí),Pout達(dá)3.3 W/mm,40 GHz下的噪聲系數(shù)為1.5 dB,已接近SiC基GaN 器件性能。緊接著在2016年公布了首個(gè)基于Si基GaN技術(shù)的高性能T/R芯片,能夠在37～43 GHz頻率范圍內(nèi)工作,40 GHz下的總輸出功率達(dá)10 W,且PAE達(dá)30%,實(shí)現(xiàn)了低噪放、功放以及開(kāi)關(guān)的單片集成,可較好地應(yīng)用于雷達(dá)、通信以及航空等領(lǐng)域。目前OMMIC公司已具備全球領(lǐng)先的6英寸Si基GaN 生產(chǎn)線,并且制程推進(jìn)到60 nm(D006GH),未來(lái)將繼續(xù)向下開(kāi)發(fā)40 nm 線寬的Si基GaN制程,并向市場(chǎng)提供功放、低噪放、開(kāi)關(guān)以及移相器完全集成,且兼容增強(qiáng)型和耗盡型器件的T/R芯片單片化方案,其T/R芯片的發(fā)展路線如圖7所示。

可見(jiàn)盡管Si基GaN 器件在性能方面與SiC 基GaN器件相比還存在差距,但是隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)和器件制備工藝的逐漸成熟,Si基GaN器件的截止頻率和功率密度等主要參數(shù)都在逐步提高,未來(lái)達(dá)到與SiC基GaN相媲美的性能指日可待。同時(shí)微波毫米波頻段下基于Si基GaN 射頻器件的產(chǎn)品也陸續(xù)得以發(fā)布,展現(xiàn)出了巨大的競(jìng)爭(zhēng)潛力,相信在未來(lái)將逐步占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。

圖7 OMMIC公司發(fā)布的0.1μm Si基GaN收發(fā)芯片F(xiàn)ig.7 0.1μm Si-based GaN T/R chip published by OMMIC

2 Si基GaN射頻器件研制

圖8為制備的0.25 μm 和0.4 μm 柵長(zhǎng)的Si基GaN材料與器件結(jié)構(gòu)示意圖,本結(jié)構(gòu)的外延層總厚度僅有2μm左右,既能滿足典型28 V電壓下的正常射頻工作,又可確保材料具備較低的熱阻,同時(shí)對(duì)GaN緩沖層進(jìn)行一定濃度的C摻雜后測(cè)得射頻損耗(0.72 dB/mm@4 GHz)已接近SiC基GaN材料的結(jié)果(0.54 dB/mm@4 GHz),此外還采用了基于難熔W 金屬的疊層V 型柵結(jié)構(gòu),以得到更大的擊穿電壓和更高的頻率。

圖8 Si基GaN射頻材料與器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Cross sectional view of Si-based GaN RF material and device structure

經(jīng)Load-Pull連續(xù)波功率測(cè)試,0.4μm 器件在頻率為4 GHz,電壓為28 V 下的線性增益高達(dá)17 dB,PAE約為50%,Pout為4.5 W/mm。圖9顯示了0.25 μm器件在10 GHz的測(cè)試結(jié)果,源漏偏置電壓為20 V,線性增益為12.3 dB,Pout為3.6 W/mm,PAE約為45%。

圖9 10 GHz時(shí)Si基GaN器件的功率特性Fig.9 Power characteristics of Si-based GaN device at 10 GHz

此外,還將0.25μm 工藝Si基GaN 射頻器件在10 GHz左右的功率特性分別與國(guó)外研究成果進(jìn)行對(duì)比,如表1所示,可見(jiàn)研制的Si基GaN射頻器件功率特性良好,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

表1 Si基GaN射頻器件在X波段下功率特性對(duì)比Tab.1 Power characteristic of Si-based GaN RF devices at X-band

3 總結(jié)與展望

通過(guò)對(duì)Si基GaN 射頻器件在材料生長(zhǎng)、器件制備以及器件性能等方面的調(diào)研分析,介紹了改善Si基GaN材料結(jié)構(gòu)缺陷并優(yōu)化器件制備流程的可靠途徑。材料方面,超晶格緩沖層、背勢(shì)壘層、C 摻雜GaN層、高質(zhì)量成核層、GaN帽層以及高絕緣度襯底等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),均有助于改善晶格失配、漏電及射頻損耗等問(wèn)題,而面向于射頻領(lǐng)域的Si基GaN 材料結(jié)構(gòu)還應(yīng)控制外延層厚度以獲得較低的熱阻;工藝方面,為最大降低成本,無(wú)Au工藝是必要選擇,對(duì)于無(wú)Au歐姆接觸工藝,結(jié)合二次外延n+-GaN以及勢(shì)壘層刻槽等技術(shù)有助于提升表面形貌并降低接觸電阻,同時(shí)結(jié)合PECVD、原位鈍化和LPCVD的復(fù)合鈍化工藝在對(duì)表面的保護(hù)和漏電的抑制方面均表現(xiàn)出良好的效果。

低成本、批量化的生產(chǎn)Si基GaN射頻器件是5G通信、射頻源等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的重要保障。盡管目前國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)在Si基GaN 射頻材料外延與器件性能方面取得了一定進(jìn)展,但是性能上與SiC襯底GaN相比仍然存在較大差距,而且可靠性未得到長(zhǎng)期驗(yàn)證,離產(chǎn)業(yè)化尚存在較大距離。未來(lái),通過(guò)提高外延材料質(zhì)量,開(kāi)發(fā)兼容CMOS的大尺寸制造工藝,提高Si基GaN器件與電路芯片性能,降低生產(chǎn)成本,有望推動(dòng)GaN射頻技術(shù)在各類(lèi)民生領(lǐng)域的普及應(yīng)用。