玻璃酸钠滴眼液,根据氮化镓(GaN)的射频功率器材和放大器,裁判文书

微博热点 · 2019-04-03

氮化镓功率晶体管可以在毫米涉及更高波长下作业,以满意手机,卫星和电视广播的未来运用需求。

射频功率电子器材的快速开展需求引进宽带隙(wide bandgap)资料,由于它具有高输出功率密度,高作业电压和高输入阻抗的潜力。依据GaN的RF功率器材在曩昔十年中取得了实质性的开展。本文企图回忆GaN HEMT技玻璃酸钠滴眼液,依据氮化镓(GaN)的射频功率器材和放大器,裁判文书术的最新开展,包含资料成长,加工技能,器材外延结构和MMIC规划,以完结最先进的微波和毫米波功用,本文还评论了GaN HEMT器材的牢靠性和制作方面的应战。

I.介绍

跟着近来无线通讯商场的高涨,以及传统军事运用的安稳但继续的前进,微波晶体管在人类活动的许多方面发挥着要害作用。对微波晶体管功用的要求越来越高。在个人移动通讯运用中,下一代蜂窝电话需求更宽的带宽和更高的功率。卫星通讯和电视广播的开展要求放大器作业在更高的频率(从C波段到Ku波段,再到Ka波段)和更高的功率,以削减终端用户的天线尺度。相同的要求也适用于宽带无线互联网衔接,由于速度或数据传输速率不断进步。由于这些需求,业界在开发依据Si / SiGe,GaAs,SiC和GaN的高功用微波晶体管和放大器方面进行了很多的出资。表1列出了这些资料的主要参数和Johnson的品质因数(JM,Johnson’s figure of merit),用于比较不同资料的功率频率极限值。 JM仅依据资料特性给出功率频率约束,可用于比较高频和高功率运用的不同资料。

表1

表1与各种资料的高频功率功用相关的资料特性

对高功率和高频率的要求需求依据具有大击穿电压和高电子速度的半导体资料的晶体管。从这个观念来看,具有更高JM的宽带隙资料,如GaN和SiC,是优选的。宽带隙导致更高的击穿电压,由于终究击穿场决议了带对带磕碰电离所需的场强。此外,两者都具有高电子饱满速度,答应高频操作。尽管具有相似的击穿场和饱满电子速度,可是与SiC比较,GaN构成异质结的才能使其功用优越。 GaN可用于制作高电子迁移率晶体管(HEMT),而SiC仅可用于制作金属半导体场效应晶体管(MESFET)。 HEMT的长处包含其高载流子浓度和由于电离杂质散射削减而具有更高的电子迁移率。高载流子浓度和高电子迁移率的组合导致高电流密度和低沟道电阻,这关于高频操作和电源开关运用特别重要。

从放大器的视点来看,GaN基HEMT器材与现有的出产技能(例如GaAs)比较具有许多优势。高输出功率密度答应制作具有相同输出功率的更小尺度的器材。由于较小的尺度,较高的阻抗答应放大器中更简略和更低的匹配损耗。由于其高击穿电场而在高电压下的操作不只削减了对电压转化的需求,而且还供给了取得高功率的潜力,这是放大器的要害参数。宽带隙还使其可以在高温下作业。一起,HEMT供给比MESFET更好的噪声功用。

经过杰出的半导体特性完结的放大器运用中的这些招引人的特性使得依据GaN的HEMT成为微波功率运用中的十分有远景的候选者。

在本文中,咱们将评论GaN HEMT技能的要害组件。 在第二节中,咱们经过金属有机化学气相堆积(MOCVD)和分子束外延(MBE)来回忆高纯度器材层的成长。 在第III节中,咱们介绍了正在开发的器材工程和工艺技能,以完结最先进的GaN HEMT中世纪西秦帝国功用。 本文还评论了牢靠性和制作应战。 在第四节中,咱们要点介绍了最近完结的一些GaN HEMT混合放大器和单片微波集成电路(MMIC)。

II.GaN的外延层成长

许多团队一直在开发MOCVD和MBE外延成长技能,用于成长III族氮化物资料,如GaN,AlN,AlGaN和InGaN 中。在MOCVD工艺中,运用相应的金属有机化合物,一般是三甲基镓,三甲基铝和三甲基铟来供给Ga,Al和In等元素。然后金属有机化合物经过载气运送,最常见的载气是氢气。因而,载气中化合物的浓度由其蒸气压决议。最常用的氮源是氨。在RF-MBE技能中,经过使氮气流(N 2气体)经过等离子体放电发作活性氮原子和分子。该办法的一个变体运用氨NH3作为氮源气体。III族元素哔嘀影视的成长通量由高纯度元素源的蒸腾供给。这两种技能的添加尽力都会集在开发高功率微波和毫米波AlGaN / GaN HEMT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也因其低本钱而被运用。经过电阻性AlN成核层供给与SiC和Si衬底的器材阻隔,其间调理成长条件以避免硅向外涣散。

GaN HEMT薄膜现已完结了优异的资料质量。当用SIMS表征时,半绝缘GaN膜中的杂质浓度低于检测极限。现已证明了AlGaN / GaN,AlN / GaN ,GaN / AlN / GaN 和AlGaN / AlN / GaN 具有滑润和骤变界面的异质结构,导致构成具有电子迁移率的2DEGs在室温下高达2000 cm2 / Vs 。惯例地完结4英寸直径SiC衬底上只要 2%的非均匀化(例如,拜见图1(a)GaN DHFET(双异质结构场效应晶体管)的Va薄层电阻率图)。

图1

图1.(a)在4英寸SiC衬底上成长的GaN HEMT的薄层电阻图和(b)电容 - 电压图。

在半绝缘SiC衬底上成长的AlGaN / GaN HEMT结构的汞探针电容 - 电压(C-V)丈量提醒了高质量的资料。 CV曲线在高反向偏压(等于SiC衬底的电容)时体现出尖利的夹断和极低的平整电容,标明GaN缓冲和epi / SiC基督山伯爵之伯爵夫人界面电荷/掺杂可忽略不计[如图1所示( b)]。

MOCVD和MBE技能都可以成长薄层。现已证明,在AlGaN势垒和GaN沟道之间运用薄的~10A的AlN中间层可以经过添加HEMT结构的迁移率和片密度来下降薄层电阻。迁移率的添加归因于合金散射的削减和由于AlGaN / GaN界面处的较大导带不接连性导致的纪忠哲片电荷的添加。图2是在SiC衬底上成长的250A Al0.26Ga0.74N/ 10A AlN / GaN HEMT的X射线光谱。薄的AlN层的山东志广世纪集团存在增强了Pendellosung振动的强度(Pendellosung振动是异质界面质量(平整度和骤变性)的丈量)。AlN中间层将薄层电阻从400下降到285欧姆/平方。而且迁移率添加到了大于2000cm^2 / Vs。

图2

图2.(0002)SiC衬底上的AlGaN = 10 A AlN / GaN HEMT的x射线光谱。

运用MOCVD和MBE技能,注入者现已展现了相似于GaAs pHEMT的更杂乱的器材结构,例如量子阱或双异质结(DH,double hetero-junction)FET。这些设备中的一些可以作业到W波段频率。量子阱或DH结构供给改善的电子约束,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阻隔,然后发作更高的器材增益和改善的器材功率。 AlGaN缓冲层和InGaN反面阻挡层(barrier layers)已被用于发作导带不接连性(相似于GaAs pHEMT和InP HEMT的双量子阱),其按捺电子注入缓冲层。经过GaN缓冲层的Fe,Be或C掺杂(相似于GaAs MESFET和Si nMOS器材中常用的彻底耗尽的埋葬p层),改善了沟道约束/缓冲阻隔和削减缓冲漏电流。最终,在外延结构中添加了高度掺杂的帽层,以下降器材的触摸(源)电阻,然后进步器材增益和功率。

III.先进的器材规划和处理技能

尽管业界现已研讨了几种电子器材(例如,HBT ,MESFET ,MISFET ,

HEMT )方式,可是大多数研讨作业都会集在HEMT [包含MOSHEMT (金属氧化物半导体HEMT)],由于HEMT具有比MESFET更好的载流子传输功用以及GaN中p掺杂的困难阻止了双极晶体管的开展。典型的AlGaN / GaN HEMT如图3所示。

图3

图3.典型的AlGaN / GaN HEMT的示意图。

Bykhovski等人猜测了GaN HEMT中的极化掺杂效应。 1992年报导了对在AlGaN / GaN异质结中载流子浓度约为10^11/cm^2且室温迁移率为400-800cm^2 / Vs的二维电子气(2DEG)的初次调查 。 AlGaN / GaN HEMT的榜首个DC功用在1993年显现,饱满漏极电流为40 mA / mm 。 1996年,AlGaN / GaN HEMT在2 GHz时的榜首次射频功率密度数据为1.1 W / mm 。在GaN器材开发的前期阶段,许多AlGaN / GaN HEMT在依据静态IV曲线的猜测输出功率和输出功鑫武温室率的负载牵引丈量之间存在差异,这个现象被称为BDC到RF的色散。在图4中,在脉冲IV丈量中发作电流坍塌。它被认为是圈套相关的现象,其间外表和体积圈套都有奉献。色散的存在严峻约束了GaN HEMT的微波输出功率,直到提出两个创新来战胜这个问题。一个是在2000年引进了SixN钝化层技能,它有用地下降了由外表圈套状况引起的DC到RF的色散,然后导致输出功率的明显添加到9和11 W / mm 。另一个是2003年选用的场板(场板,field plate)。除了传统的场板功用以添加击穿电压外,它还下降了超出SixN钝化所供给的色散。从那时起,跟着安稳改善的成长技能,资料质量,增强的处理技能和更优化的器材规划,输出功率密度进一步进步。功率密度的最新记载在4 GHz时超越40 W / mm 。

图4

图4.在SiC衬底上的AlGaN / GaN HEMT有钝化和无钝化的I-V特性。 在脉冲形式中可以调查到明显的电流坍塌(涣散)。

依据GaN的器材的趋势是更高的输出功率密度,更高的功率附加功率(PAE),更高的作业频率和更高的牢靠性。为了完结这些要求,正在开发新颖的器材规划和处理技能。最近,现已取得了很大开展,将在下面评论。榜首末节要点重视改善微波变换器的功用。最终一小部分介绍了优化毫米波运用器材的共同应战。

A.场镀(Field-Plated)GaN HEMT

在GaN HEMT的漏极侧的介电层上完结场板( field plate)现已发作了一些最重要和令人兴奋的改善。现已研讨了场板(FP, field plate)装备的功用和权衡以企图提取最佳增益和功率特性。

栅极衔接FP(GC-FP,Gate Connected FP):图5(a)显现了栅极衔接的场镀GaN HEMT的横截面。 FP的功用是修正电场散布并下降其峰值,然后削减抓获效应并添加击穿电压。初始FP要么结构为栅极的一部分,要么外部衔接到栅极。这关于改善大信号(或功率)功用和完结高电压操作是有用的,如图6(a)和(b)所示。到达必定值后,FP越长,输出功率越大。

图5

图5.具有(a)栅极衔接场板的GaN HEMT的横截面; (b)源衔接的场板。

图6

图6.(a)各种FP长度的功率密度与漏极电压的联系。 设备尺度:0.5 X 246 um^2。 (b)具有栅极衔接场板的GaN HEMT的功率功用,在120V漏极偏压下显现32localiapstore.2W / mm输出功率密度。

可是,在这种装备中,FP和漏极之间的电容变为栅极 - 漏极电容Cgd,导致负的米勒反应(Miller feedback)。这导致电流增益和功率增益截止频率(ft/fmax)减小,如图7所示。

图7

图7. ft = fmax作为FP长度Lf的函数。

源极衔接FP(SC-FP,Source-Connected FP):细心研讨器材作业情况可以看出,由于典型GaN HEMT的栅极和源极之间的电压摆幅仅为4-8 V,远低于230 V的动态输出摆幅,中止FP到源[如图5(b)所示]也可以满意静电功用。在这种装备中,FP-沟道电容成为漏源电容,可以在输出调谐网络中被吸收。因而消除了FP导致的附加Cgd电容的缺点。依据实施方案,源极衔接的场板可以为器材输入添加寄生电容。可是,这也可以被吸收到输入调谐电路中,至少关于窄带运用而言。

SC-FP,GC-FP和非FP器材在同一晶圆上制作,以进行直接评价。与非FP器材比较,具有GC-FP的器材的反向功率传输(S12)在4 GHz时添加了71%,而具有SC-FP的器材的反向功率传输实际上削减了28%。后者的S12削减归因于接地场板的法拉第屏蔽效应。因而,在10 V漏极偏压和4 GHz时,SC-FP器材的最大安稳增益(MSG)比非FP器材高1.3 dB,比GC-FP器材高5.2 dB。成果,SC-FP器材在最大安稳增益方面显现出明显的改善(在5 GHz时为9 5 dB),SC-FP器材的这一优势坚持在10到60 V的偏置范围内,如图8(a ),图8(b)所示别离列出了GC-FP和SC-FP器材中电容重量的改动。

图8

图8.(a)MSG作为漏极电压的函数; (b)改动GC-和SC-FP设备中的电容成分。

大信号功用的特点是4 GHz时的负载牵引功率的丈量结江明学被捕果。 GC-FP和SC-PF器材在48 V及以上的输出功率和PAE均优于非FP器材,而SC-FP器材一直供给比GC-FP器材信号增益高5-7 dB的大信号增益。

作为成功的高压规划,两种FP器材都可以在118 V直流偏置下作业,如图9所示,其间调谐经过优化,可完结增益,功率附加功率(PAE)和输出功率(3-dB紧缩(P3dB))的最佳组合。尽管这两款器材的功率密度均在20 W / mm左右,但SC-FP器材的相关增益高出7 dB。由于在4 GHz时完结了21 dB的大信号增益和224 V的估量电压摆幅,SC-FP器材的电压 - 频率 - 增益乘积(约翰逊的电压频率品质因数,Johnson’s voltage-frequency figure of merit)挨近10 kV -GHz,是有史以来最高的半导体器材。

图9

图9.运用SC-FP器材和GC-FP器材在118 V漏极偏置和4玻璃酸钠滴眼液,依据氮化镓(GaN)的射频功率器材和放大器,裁判文书 GHz时的功率扫描。 器材尺度:0.5500m^2。

上述研讨适用于C波段及以下的操作。关于X波段及以上的运用,需求相应减小场板的尺度以办理寄生电容。

B.深腔(Deep-Recessed)GaN HEMT

SiNx钝化已被用于削减色散,但击穿电压的重复性,栅极走漏和色散消除的有用性与工艺密切相关。最近,在外延层现已处理了色散问题。其间一种取得实质性开展的办法是运用厚盖层来消除色散的深腔(Deep-Recessed)GaN HEMT ,如图10所示。

图10

图10.具有AlGaN帽的深洼陷GaN HEMT的器材结构。

外表对沟道的影响与外表和沟道之间的距离成反比。深腔(Deep-Recessed)HEMT中的厚AlGaN或GaN帽层添加了外表到沟道的距离,因而在没有外表钝化情况下会导致外表圈套引起的色散削减或消除,由于与传统的AlGaN / GaN HEMT比较现在只要较小部分的沟道电荷受到影响。突变AlGaN层是Si掺杂的,以补偿负极化电荷并避免空穴累积。

除了深欧姆(deep ohmic)和栅极深腔之外,工艺处理流程相似于规范HEMT的工艺处理流程。研讨发现在栅极金属化之前对洼陷外表进行氟等离子体处理关于削减栅极走漏(高达两个数量级)和添加击穿电压(9 200 V)十分有用。相关研讨记载输出功率密度Pout大于17W / mm,相关的功率附加功率(PAE)为50%,在VDS = 80V,4GHz下丈量(没有SiNx钝化,如图11所示)。这被认为是迄今为止没有外表钝化的GaN晶体管发作的最高功率。在较低的30 V偏压下,超卓的PAE为74%,输出功率密度为到达5.5 W / mm。

图11

为了准确操控洼陷深度并进步可制作性,现已开发出运用BCl3 / SF6的GaN相关于AlGaN的挑选性干蚀刻技能。由于在AlGaN外表上构成非挥发性AlF 3残余物,氟的存在下降了AlGaN的蚀刻速率。兼容的深洼陷结构具有GaN帽(> 200 nm)和陡拷鬼棒峭的GaN / AlGaN界面,以清楚地界说蚀刻中止方位,如图12所示。在Al0.22Ga0.78N上,大约完结25个GaN的挑选性。跟着AlGaN中的Al组分,挑选性添加,GaN和AlN之间的挑选无马赛克性添加至约50-100。选用挑选性蚀刻技能处理的器材显现出明显下降的处理改动以及超卓的微波功率功用。在10 GHz时,在VD= 28 V时完结了63%的高PAE,输出功率密度为5 W / mm,而在VD = 48 V时完结了10.5 W / mm和53%PAE,如图13所示栅极长度为0.6m的这些器材的功率功用与10 GHz时现有技能的传统SiNx钝化AlGaN / GaN HEMT恰当。

图12

图12.具有GaN帽的深洼陷GaN HEMT的器材结构,其与挑选性蚀刻技能兼容。

图13

图13.在没有SixN钝化的10 GHz时的功率功用。

C.金属氧化物半导体HEMT(MOSHEMT)

MOSHEMT规划结合了MOS结构的优势,按捺了栅极漏电流,AlGaN / GaN异质界面供给了高密度高迁移率2DEG通道。 MOSHEMT办法还答应施加高正栅极电压以进一步添加2-D沟道中的片电子密度,并因而添加器材的峰值电流。 MOSHEMT内置沟道由AlGaN / GaN界面处的高密度2DEG构成,如在惯例AlGaN / GaN HEMT中那样。可是,与惯例HEMT比较,栅极金属经过比如SiO2,AlO,ZrO,NbO,AlN,HfO2等的薄介电膜与AlGaN势垒层阻隔,如图14所示。 MOSHEMT栅极体现得更像MOS栅极结构,而不是惯例HEMT中运用的肖特基势垒栅极。由于恰当规划的AlGaN势垒层经过电子转移到相邻的GaN层而彻底耗尽,所以MOSHEMT中的栅极绝缘体由两个接连的层组成:SiO2膜和AlGaN外延层。这种双层保证了极低的栅极漏电流,并答应大的负栅极电压摆幅。

图14

图14.AlGaN / GaN MOS-HEMT的器材结构。

按捺栅极漏电流是MOSHEMT最重要的特性之一。在图15中展现出了在不同温度下1.5m200m栅极MOSHEMT的栅极走漏电流。数据显现,室温下20V栅极偏压下MOSHEMT漏电流低至1 nA / mm,比具有相似栅极尺度的惯例HEMT小约六个数量级。即便在300℃时,MOSHFET的栅极漏电流仍比惯例HEMT低3-4个数量级。

图15

图15.在不同温度下MOSHEMT 1.5 um X 200 um栅极的栅极走漏电流和在二极管形式下丈量室温下的基线HEMT(漏极断开)。

正栅极电压下的最大DC饱满漏极电流是操控最大输出RF功率的要害参数。关于传统的AlGaN / GaN HEMT,栅极电压超越1.2 V会导致过大的正向电流。在MOSHEMT中,可以施加高达10V的栅极电压,而这导致最大沟道电流的明显添加。可是,栅极走漏仍远低于1 nA / mm。图16示出了在漏极电压下丈量的1.5m栅极长度MOSHEMT和HEMT的传输特性,其足以将作业点移动到饱满状况。

图16

图16. 1.5 um的MOSHEMT和HEMT器材中的最大饱满电流和栅极漏电流。

选用SixN外表钝化和场板,2 GHz的MOSHEMT的输出功率密度为18.6 W / mm,PAE为49.5%,漏极偏压为55 V,如图17所示。此外, 在如此高的输出功率密度下,时刻为100小时的RF应力后功用没有下降。 MOSHEMT在更高频率(例如26 GHz)的运用也得到了证明。栅极走漏要低得多,最大输出功率比同一组制作的HEMT高3 dB。更细心地缩放栅极长度和栅极氧化物厚度,或选用高K电介质,可以将MOSHEMT的运用扩展到毫米波频率。

图17

图17.关于200um宽的器材,2 GHz的功率扫描。 器材尺度为Lsd = 6 um,Lg = 1.1 um,LFP = 2.1 um,与栅极堆叠1.1 um

D.用于毫米波运用的GaN HEMT的工艺和器材技能

新运用要求在较高频率下具有高输出功率和功率,特别是Ka波段(26-40 GHz)及更高频率,意图是替换或弥补现有的行波管放大器。卫星和宽带无线通讯以及先进的雷达仅仅许多运用中的一小部分,这些运用将大大获益于这些依据固态的放大器的牢靠性的添加,尺度和噪声的下降。为了完结在mm-Wave(毫米波)频率及更高频率下作业的方针,有必要运用新的工艺技能和器材结构。

有必要最小化mm-Wave(毫米波) HEMT的栅极 - 源极距离,以坚持低源极接入电阻。可是,传统的合金欧姆触摸具有粗糙的形状和边际,这约束了栅极 - 源极之距离离的减小。因而,非合金欧姆触摸关于高频器材是优选的。在GaN器材制作中现已运用离子注入来构成非合金欧姆触摸。曩昔,在注入活化退火工艺过程中运用维护外表层选用高温1200~1500度的退火工艺,包含SiO2 ,Si3N4 和AlN ,以及高压(~100 bar N2)。可是,运用高温,高压和封盖退火工艺约束了该工艺对AlGaN / GaN HEMT的可制作性。最近,研讨人员开端运用这种技能挑选性地掺杂GaN HEMT的源极和漏极触摸区域,以下降触摸电阻并完结非合金欧姆触摸的发作(见图18)。

图 18

图18.注入的S/D的 AlGaN / GaN HEMT的示意性外延结构。

构成在注入区域上的非合金欧姆触摸具有比合金触摸更润滑的外表,如图19所示。欧姆触摸的润滑边际答应减小栅极 - 漏极距离,然后进一步下降了接入电阻,这对高频设备很重要。相同的研讨人员还展现了一种无帽的注入体激活退火,下降了热预算并进步了可制作性。

图19

图19.(a)GaN HEMT的合金欧姆触摸的粗糙外表形状(b)非合金欧姆触摸的润滑外表形状。

选用非合金欧姆触摸器制作的器材具有与操控器材恰当的功用,标明注入和无盖退火工艺不会下降HEMT资料的特性。最近,经过优化离子注入工艺(包含减小注入和欧姆边际之间的距离),完结了低于0.3K-mm的非合金欧姆触摸电阻。当VD = 35 V 时,HEMT显现出60%的优异的PAE,输出功率密度为7.3 W / mm(10 GHz)。在曩昔的几年里,Ka-band的功率功用取得了稳步开展沙罗双树的誓词。例如,据报导,2003年40 GHz的输出功率密度为2.8 W / mm ,2004年的30 GHz时为5.7 W / mm 。

最近,在30 V的漏极偏压下,40 GHz时的输出功率密度为10.5 W / mm,PAE为34%,如图20所示。该器材的栅极长度为160nm,显现出70GHz的电流增益截止频率(fT)和玻璃酸钠滴眼液,依据氮化镓(GaN)的射频功率器材和放大器,裁判文书100GHz的最大功率增益截止频率(fmax)。十分高的输出功率是两个极高电流密度乱男宫(VGS =+2V时约为1.4 A / mm)和击穿电压(80 V)相结合,可忽略不计的膝盖电压和溃散电流成果。

图20

图20.毫米波MOCVD AlGaN / GaN HEMT的功率扫描,在40 GHz时最大功率密度为10.5 W / mm,PAE为33%。 漏极电压为30V,漏极偏置电流为500mA / mm。

在Ka频段以外的操作需求更高的fT和fmax,而且正在招引很多的研讨作业。传统办法,例如,较短的栅极长度,多个指状物以减小栅极电阻和F形栅极以减小栅极 - 漏极电容,依然有用地进一步进步器材功用。选用30nm栅极薄AlGaN势垒层和CAT-CVD堆积SiN薄层完结了180 GHz的fT 。为了改善电子的约束以下降输出电导并改善fmax,背势垒(back-barrier)的概念最近引起了一些研讨。运用低Al含量Al0.04Ga0.96N缓冲层的DHFET完结了三个数量级的亚阈值漏极走漏,而且输出密度进步了30%,PAE进步了10%。另一种InGaN背势垒规划运用GaN共同的强极化特性来改善沟道电荷约束。样品结构如图21所示。超薄InGaN层厚1nm,In的组成成分为10%。如图22(b)所示,具有InGaN背势垒的样品的夹断特性关于高达50V的漏极电压是优异的,比没有InGaN背势垒的对照样品好得多[图22(a)]。这导致输出电阻的改善。栅极长度为200nm的规范HEMT的输出电阻为20+-5oHmmm,而在具有InGaN背势垒的样品中,输出电阻为35+-5oHmmm。由于改善的约束,丈量到fmax均匀添加18%。未经钝化的器材完结了230 GHz的记载fmax和150 GHz的fT,如图23所示。需求做更多的作业来承认InGaN背势垒器材在大信号操作下的优势。

图21

图21.InGaN背势垒样品的示意图和能带图。

图22

图22.在规范AlGaN / GaN HEMT(a)和具有InGaN背势垒(b)的HEMT顶用VDS改动gm和夹断。

图23

图23.具有InGaN背势垒的AlGaN / GaN HEMT的小信号功用,其偏置电压针对最大fT和最大fmax进行了优化。

E. GaN HEMTs器材的线性

关于一切高数据速率通讯运用,器材线性度是要害功用规范。由于与较低带隙半导体比较,I-V平面具有较大的作业空间,因而依据GaN的HEMT具有为严厉要求供给高线性度的潜力。高功率发射机的线性规范一般玻璃酸钠滴眼液,依据氮化镓(GaN)的射频功率器材和放大器,裁判文书用相关输出功率和某一失真水平下的功率标明。尽管存在许多调制方案,可是器材技能的根本评价总是可以经过双腔调互调制来完结。到现在为止,运用场板GaN HEMT完结了最佳陈述的双音线性功率组合。

这些器材相似于第III-A节中具玻璃酸钠滴眼液,依据氮化镓(GaN)的射频功率器材和放大器,裁判文书有栅极衔接场板的器材。栅极尺度为0.5246m^2。 FP_LF的长度(界说为FP在漏极侧的栅极边际上的延伸)被设定为0(即李润庭非FP),0.7和1.1m。

一切带有和不带FP的器材都具有相似的直流特性,包含> 1 A / mm的开路电流和-4 V的栅极夹断电压。可是,FP器材显现出更高的击穿电压为> 140 V,而非FP器材则为~100 V.当针对偏置电流研讨截止频率时,一切器材藁城毛庄杀人在功率增益截止频率fmax时都显现出十分急剧的导通特性,由于器材通道如图24所示。这种增益特性十分合适B类或深级AB级功放操作,完结高功率。

图24

图24. GaN HEMT的Ft和Fmax与电流的联系,显现出非玻璃酸钠滴眼液,依据氮化镓(GaN)的射频功率器材和放大器,裁判文书常急剧的导通,十分合适B级或深AB级操作。

当偏置电压为48 V时,静态电流小至20 mA / mm,并由4 kHz距离为100 kHz的双音信号驱动,非FP器材发作3.4 W / mm,PAE为56%,增益为15.8 dB。 IM3为-30 dBc。由于场成形的好处,FP器材体现出改善的线性功率。可是,跟着LF的添加,增益下降,​​这对PAE发作了负面影响。作为退让,发现LF = 0.7m在该偏置电压下是最佳的,完结了3.7 W / mm的线性功率密度,具有57%的PAE和13.7 dB的增益,IM3 为-30 dBc,如图25所示。

图25

图25. LF为0.7 mm的器材在30 dBc IM3下完结57%PAE,相关输出功率为3.7 W / mm。 设备尺度:0.5 X 246 mm^2。 Vds=48V,深AB类偏置,IQ = 20 mA / mm。 3 dB紧缩时的单音功率为:P3 dB = 8.8 W / mm ,PAE = 71%。

FP器材的一个更重要的长处是它们具有更高电压操作的才能。在78 V位面抢掠者时,具有50%PAE一起取得7 W / mm线性功率密度,而且从LF = 0.7m的器材取得15.2 dB增益。如图26所示,跟着偏置电压的进一步添加,需求更长的LF。在108 V时,LF = 1.1m的器材发作10 W / mm线性功率,41%PAE和14.3 dB增益,IM3为-30 dBc。高线性功率密度和PAE的组合是对从前陈述的功用的明显改善,关于未来的通讯运用十分有期望。

图 26

图26. LF为1.1 mm的器材发作10W / mm在 -30 dBc的 王炫哲IM3,相关PAE为41%。 设备尺度:0.5 * 246 mm^2。 Vds = 108 V,深AB类偏压,IQ = 20 mA/mm。 3 dB紧缩时的单音功率为:P3 dB = 24 W / mm ,PAE = 48%。

作为商业运用的一个比如,CREE公司已开端为严厉的WiMax发射器放大器供给GaN HEMT产品。单个GaN HEMT放大器不只可以在Si技能中运用三个放大器来办理3.3-3.9 GHz的带宽,而且不只掩盖整个频段,而且在2.5%的 EVM的指定失真水平下具有更高的23-28%的漏极功率。与Si器材比较,其PAE约为18%(见图27)。

图 27

图27.运用CREE公司的CGH35015S-DS GaN HEMT的WiMax放大器的漏极功率

另一个重要优势是GaN HEMT的回忆效应下降,这对现代数字预失真发射机是有利的。最近,运用GaN HEMT的一切有利特性,在WCDMA基站放大器中完结了明显的均匀功率50%,均匀输出功率为37.2 W,归一化功率RMS差错为0.7%,ACLR偏移频率为5 MHz时为-52 dBc ,这比传统技能至少进步了两倍。

F.牢靠性和制作方面的应战

GaN技能商业化的最终一个妨碍是证明牢靠性契合体系要求。为了处理牢靠性问题,研讨的要点是削减或消除与器材作业相关的高电场和高功率条件下的器材漂移和漏电流。这些包含:

1)进步基板和外延成长器材层的资料质量(下降缺点密度)

2)外延工程,如反面势垒层,以削减亚阈值走漏电流;

3)外表安稳/钝化,以消除由于外表电荷和栅极漏电流的改动引起的器材漂移;

4)器材/工艺工程,如栅极洼陷和场板技能,以削减通道中的峰值电场;

5)已在不同的研讨会和会议上展现强壮的欧姆和栅极触摸的开展最近在宽带隙器材的牢靠性方面取得了开展;(例如,拜见2005年和2006年ROCS [化合物半导体的牢靠性]研讨会)许多实验室现已在行业规范牢靠性测验下陈述了牢靠的设备操作。三个温度DC Arrhenius加快寿数测验猜测在28 V作业的GaN HEMT的规范作业(通道)温度下寿数超越一百万小时(图28)。 RF加快寿数测验和三次温度RF Arrhenius加快寿数测验现已取得了相似的成果。最近对X波段GaN MMIC(单级MMIC放大器偏置为28 V,驱动进入窦含章3 dB紧缩区)的RF作业寿数测验标明,运转安稳(输出功率无改动)超越10000小时(图28)。这些成果的揣度猜测在实际作业条件下安稳运转超越一百万小时相似的成果也证明了S波段(基站)的大型外围GaN分立晶体管的牢靠性。关于选用MOCVD和MBE成长的外延资料以及SiC和硅等代替衬底制作的器材,现已取得了这些牢靠性成果,突出了曩昔几年资料质量的明显进步。

图28

图28. DC 3温度Arrhenius加快寿数测验(左)和RF作业寿数测验(右)标明GaN MMIC在实际操作条件下是安稳的。

关于在MMIC中的运用,完结晶体管牢靠性是必要的,但还不行。在高压和高功率条件下,无源元件也有必要牢靠。为此,还证明了牢靠的高电压,高功率片上MIM电容,其MTTF大于10^8小时且为4.0MV / cm。因而,宽带隙半导体现已老练到可以仔细考虑刺进体系的程度。

一旦体现出功用和牢靠性,最终一个妨碍是在制作环境玻璃酸钠滴眼液,依据氮化镓(GaN)的射频功率器材和放大器,裁判文书中出产宽带隙半导体RF器材和电路,其本钱关于各种体系刺进时机而言是可接受的(即,假如技能的功用比现有技能好10倍但价格要贵10倍,有人会买吗?)。由于制作宽带隙半导体的大多数工艺处理过程与其他化合物半导体相似或兼容,因而大多数开发都会集在扩展技能以运用现有的半导体制作基础设施。最火急的需求是具有本钱效益的100毫米或更大直径的衬底基板。这种需求驱动了S吴建春简历iC衬底(最常用的,尽管是贵重的衬底,由于其优异的热功用)的缩放以及运用代替的低本钱衬底,例如Si上的GaN。外延成长需求专用反应器。例如,多晶硅100mm(或更大)的GaN反应器变得简略取得。跟着100毫米直径衬底的可用性和外延成长,宽带隙半导体既可以在现有的化合物半导体晶圆厂中出产(然后运用化合物半导体晶圆的已有负载来下降本钱),也可以运用现成的制作设备在专用线上出产。因而,现在存在许多宽带隙导频和出产线(例如,Cree,Eudyna,Nitronix,RFMD,Raytheon,TriQuint,NGST),因而呈现了用于低带宽制作宽带隙器材和电路的基础设施。

IV.运用

跟着GaN技能日趋老练并从大学和工业研讨实验室转移到代工厂,宽带隙半导体正在招引人们对从手机和无线基础设施(基站)到高功用军用电子等广泛运用的爱好。宽带隙半导体被用作混合组件和MMIC中的分立器材。尽管大多数运用都用于功率放大,但宽带隙半导体,特别是GaN,也为稳健的低噪声接收器和开关电源供给了明显的优势。关于基站运用,许多制作商陈述了牢靠的高功率大外围分立晶体管。一个比如(见图29)是Eudyna GaN混合功率放大器,可以在2.1 GHz时为W-CDMA运用有用地供给> 200 W的功率。为了供给牢靠运转的余量,这些混合放大器针对相对较低的功率密度(3-4 W / mm)进行规划/优化(即,从峰值功率亚弗戈蒙密度回退)。

图29

图29.用于W-CDMA基站运用的大型外围2.1 GHz GaN HEMT混合组件的图画和输出功率(Eudyna)。

CREE公司还展现了紧凑型高功率微波放大器,它运用了GaN HEMT的高电压和高功率密度。所运用的器材具有28.8mm的外围,在源欧姆触摸下运用通孔,以最小化接地电感并消除空气桥。在3.45 GHz时完结550 W(57.40 dBm)的峰值功率,66%DE(漏极功率)和12.5 dB相关增益。在3.55 GHz时,可取得521 W和72.4%的超卓功率和功率组合。关于彻底匹配的单封装固态功率放大器,这种功率水平,伴跟着高功率,被认为是3.5 GHz左右的最高功率水平,这些数据证明了GaN HEMT技能的巨大潜力。

许多公司正在开发用于L-到W-波段的GaN MMIC。 GaN的高功率密度在MMIC规划中具有几个长处:1)较高的功率密度导致每瓦输出功率的寄生电容较低; 2)较高的作业电压会导致较高的输出阻抗。这两个要素使得规划更简略,更低损耗和更宽带宽匹配的网络可以完结比GaAs pHEMT更高的功率,更高的功率和更宽的带宽放大器。

正在寻求两种不同的MMIC拓扑结构V微带和共面波导(CPW)。每种办法都有其固有的长处,而且都可以发作高功用的MMIC HPA。依据CPW的MMIC避免了与反面处理(晶片减薄和通孔蚀刻)相关的额定制作过程,并充分运用高热导率SiC衬底中的热涣散,以坚持低器材沟道温度和牢靠操作。 CPW GaN MMIC HPA的示例如图30所示。高功率,高功率,高增益,多级CPW GaN MMIC现已从L 到 Ka波段的演示,其具有恰当输出功率的GaAs pHEMT MMIC的占用面积的一小部分。 CPW器材也可能是GaN和硅晶体管异构集成的首选办法,由于硅技能一般依赖于互连的上部金属化方案。

图30

图30. 2级CPW GaN MMIC Pas 的比如。 依据DARPA WBGS第2阶段方案赞助的MMIC规划。

经过晶圆通孔技能展现了具有出产价值的SiC,微带GaN MMIC也正在规划和制作中。 GaN微带MMIC规划办法运用了GaAs微带MMIC的经历和基础设施(例如,规划和建模办法)。一般,通孔技能和特别是独自的源极通孔,在器材和元件接地方面供给了额定的自由度(与CPW规划中运用的高密度空气桥接地带相反)。可是,这些长处的价值是削减了较薄(50-100m)SiC衬底中的热涣散,并添加了为坚持牢靠的操作的器材热办理(封装)的约束。尽管如此,每种电路拓扑结构都具有相似功用水平的GaN MMIC,MMIC规划人员可以确认哪种办法可以为给定的运用供给最佳处理方案。

图31

图31. 31-36 GHz平衡GaN MMIC功率放大器的图片和功用。 完结了34 GHz的输出功率为11 W 。

如前所述,GaN HEMT也被证明是十分有招引力的,可用作毫米波运用的功率源。与微波频率相似,现已证明了微带和CPW MMIC。图31显现了微带Ka波段GaN MMIC功率放大器的功用,可以供给11 W的输出功率。吴等人宣告推出一款1.5毫米宽的器材,在30 GHz时输出功率为8.05 W,PAE为31%,相关增益为4.1 dB。这被认为是迄今为止在毫米波频率下从GaN晶体管发作的最高功率。14.7毫米宽的器材的输出功率与依据GaAs的MMIC的输出功率匹配,但尺度小10倍。最近,在W波段也证明了GaN MMIC功用(图32)。 W波段MMIC依据MBE成长器材结构,依赖于各个源极通孔,相似于GaAs pHEMT,在80 GHz时功率密度到达2 W / mm。

图32

图32.三级W波段GaN MMIC(MBE成长的外延层)的图画和RF功用。 MMIC在80 GHz时的输出功率超越2 W / mm 。

尽管微带和CPW GaAs pHEMT,MHEMT和InP HEMT器材以及以毫米波频率作业的电路有着悠长的前史,但这些器材无法满意下一代体系(如雷达,卫星通讯和有源自我维护体系)的功率,线性和功率要求。具有高功率密度和可用增益的GaN器材和MMIC的示例将使毫米波频率的固态处理方案得以涣散。

V.定论

RF功率电子器材的快速开展需求引进宽带隙资料(例如,GaN和SiC),由于其具有高输出功率密度,高作业电压和高输入阻抗的潜力。曩昔十年中,依据GaN的RF功率器材在许多方面取得了实质性开展,从资料成长,加工技能,器材结构到MMIC规划。输出功率密度到达30-40 W / mm,比GaAs高出一个数量级。极高的功率密度的确需求严厉的热办理,但可以经过完结更高的功率来减轻散热要求。一起,现已完结了约200GHz的fT和fmax,然后将GaN器材的运用扩展到毫米涉及以上。跟着牢靠性问题的处理,依据GaN的器材将很快为未来的电子运用供给新的处理方案。

(完)

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