宽禁带半导体技术最新进展

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作者：李耐和时间：2007-02-04 来源：电子产品世界收藏

摘要：介绍DARPA宽禁带半导体技术计划第二阶段计划目标及其演示进展情况。

关键词： GaN; SiC; AlN; 宽禁带半导体材料; 功率放大器

引言

在过去的几年里，由于美国政府与商业部门的大力支持，宽禁带半导体技术进展迅速。尤其是2002年美国国防先进研究计划局(DARPA)实施的宽禁带半导体技术计划(WBGSTI)，成为加速改进SiC、GaN以及AlN等宽禁带半导体材料特性的重要“催化剂”。

该计划的目标有四个，即：生产4英寸高质量SiC基底；开发其他宽禁带半导体基底材料；研制一致性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体外延生长技术；研究宽禁带半导体材料与器件的相互关系。

该计划分三个阶段进行。在第一阶段(2002～2004年)，市场销售SiC基底的直径已由2英寸增加到3英寸； 2006年4英寸SiC基底可以商品化。第一阶段计划的成功实施为其顺利进行奠定坚实基础。第二阶段(2005～2007年)计划称作“射频应用宽禁带半导体计划”(WBGS-RF)，其目的是利用宽带隙半导体材料制作并演示射频功率放大器，提高其功率附加效率、带宽以及功率密度，并最终实现GaN基高可靠、高性能微波与毫米波器件的大批量生产。第三阶段将在2008～2009年进行，将研制成功GaN基高可靠、高性能MMIC(微波集成电路)，并在若干种模块中演示其应用。

第二阶段计划已于2005年5月启动，并取得一定进展。下面介绍第二阶段计划目标及演示进展情况。

第二阶段计划目标

美国国防高级研究计划局射频应用宽禁带半导体材料计划第二阶段计划是一项全面计划，其目的是设计、制作与演示具有高性能、高可靠性以及成本可承受的宽禁带半导体器件。具体的计划目标是：
*演示可制造以及可生产的宽禁带半导体器件以及单片MMIC制作工艺；
*演示的宽禁带半导体器件以及MMIC不仅可以生产，可靠性高，而且性能绝对优于基于GaAs的微波/毫米波器件以及MMIC；
*理解宽禁带半导体器件的降级机理，研制鲁棒、高可靠的宽禁带半导体器件以及MMIC；
*为了准确地预测宽禁带半导体器件的射频性能，开发并使用物理模型；
*通过热扩散以及冷却，演示出众的热量管理策略。

演示结果

为了演示宽禁带半导体器件以及MMIC的普遍适用性，该计划由3个小组分别进行演示。这三个小组分别制作并演示有关器件。下面介绍演示器件性能及结果。

宽带大功率放大器

在这项演示中，由TriQuint半导体以及BAE系统等公司组成的联合研制小组将演示功率放大器以及MMIC，其瞬时带宽超过10倍(如从2GHz到20GHz)。表1给出该演示的具体性能指标要求。随着计划的进展，承包商将达到或超越这些具体的继续/不继续(GNG)里程碑。

TriQuint半导体公司负责的研制小组取得的最新进展是：
*演示器件漏偏压35V，单元尺寸400μm，功率密度6.5 W/mm，PAE 58%，功率增益11.7 dB；
*漏偏压从30V增加到40V，PAE＞60%，功率增益＞12dB，功率密度＞7W/mm；
*通过降低栅极泄漏、提高击穿电压以及进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，这些手段才有可能变成现实；
*对利用9个3英寸晶片制作的器件进行的演示表明：在10 GHz时其最大稳定增益的射频一致性为0.9 dB；

提高可靠性是WBGS-RF计划第二阶段至关重要的目标，为此，需要对失效机理进行深刻的理解。为了改善直流与射频寿命测试可靠性，需要改变器件工艺与设计，这对实现有关目标非常关键。图1给出Vds=30V时的射频可靠性测试实例。从图1中可以看出，在100小时的测试周期内，器件的输出功率波动在0.5 dB以内。

图1 X波段器件短期射频稳定性测试图

X波段收发模块

WBGS-RF模块的特性通常要等于或者优于当前的收发(T/R)模块(能够在相同频段发射10W等幅波输出)。雷声-Cree公司联合研究小组研制的功率放大器MMIC将满足表2中的性能指标要求。同前述研究相似，可靠性任务包括通过生长AlGaN化合物以及掺杂，最优化GaN盖层以及AlGaN肖特基层，从而减少栅极泄漏。掺铁GaN能够使缓冲区泄漏最小化，同时，改善的生长环境能够降低3英寸晶片的位错密度。最新器件拓扑结构以及工艺的优化，使得器件的射频性能得到明显改善(见图2)。