碳化硅（ＳｉＣ）材 料 的 熱 導(dǎo) 率 高，晶 格 匹 配 性 優(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 ?。ǎ场?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ＳｉＣＭＯＳ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。

 

 

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) 模 化 生 產(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。

 

 

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０．１７ μｍ 柵長(zhǎng)下測(cè)得ｆＴ和ｆｍａｘ分別達(dá)到４１．６ＧＨｚ和１２６．４６ＧＨｚ。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３．５ｎｍ 原位鈍化ＳｉＮ 帽層以及４．５ｎｍ 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－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｏｎ    ＧａｓＤｅｎｓｉｔｙ）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］

 

２０１７年，Ｌｕｏｎｇ等［１５］采 用 ＨＬＨ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ的生長(zhǎng)模式在高阻Ｓｉ襯底（１０４ Ω·ｃｍ）上外延出１００ｎｍ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 ０．４ｄＢ／ｍｍ，４０ＧＨｚ下的射頻損耗低于１．２ｄＢ／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（１０４ Ω·ｃｍ）上生長(zhǎng)了０．２μｍ 的 ＡｌＮ 成核層和０．５ μｍ 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３５ＧＨｚ下的射頻損耗低于０．３ｄＢ／ｍｍ，且７０ＧＨｚ下的射頻 損 耗 低 于０．５ｄＢ／ｍｍ，并對(duì)比了不同 ＡｌＮ 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０．２５ μｍ 柵長(zhǎng)下ｆＴ和ｆｍａｘ分別達(dá)３２．１ＧＨｚ和５１．９ＧＨｚ。
 

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。

圖片

圖２ 高低阻Ｓｉ襯底上外延１００ｎｍ ＨＬＨ ＡｌＮ 的射頻損耗［１５］

 

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Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｐｔ等）結(jié) 構(gòu) 合 金 的 接 觸 電 阻 可 達(dá) 到０．３Ω·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］

 

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（２０／２００／２０ｎｍ）形成無(wú) Ａｕ歐姆接觸，此外 Ｈｆ金屬的功函數(shù)（３．５ｅＶ）低于 Ｔｉ（４．１ｅＶ）與 ＴｉＮ（４．７ｅＶ），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) １０－７ Ω·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 （２．５／１００／２０／６０ｎｍ）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２．５ｎｍ，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１．１６×１０－６ Ω·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。

 

 

（ａ）合金退火后金屬結(jié)構(gòu)；（ｂ）合金與半導(dǎo)體接觸面結(jié)構(gòu)

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

 

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 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２０ｎｍ 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３ｎｍ 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，電路開關(guān)比達(dá)１０６，電流退化率為１８％，測(cè)得ｆＴ和ｆｍａｘ分別為１２．５ＧＨｚ和１５ＧＨｚ。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 ＭＯＣＶＤＳｉＮ 或 ＬＰＣＶＤＳｉＮ 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。

 

（ａ）電流響應(yīng)；（ｂ）陷阱時(shí)間常數(shù)

圖５ 三種鈍化層的效果對(duì)比［２２］

 

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２０ｋΩ·ｃｍ 的高阻Ｓｉ襯底上制備了柵長(zhǎng)為１７０ｎｍ，且ＡｌＧａＮ 勢(shì)壘層厚度為３０ｎｍ 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０．５５Ａ／ｍｍ，ｆＴ和ｆｍａｘ分別為４６ＧＨｚ和９２ＧＨｚ；并在２０１３年 Ｂｏｕｚｉｄ等［２４］將 ＡｌＧａＮ 勢(shì)壘層的厚度降低到１２．５ｎｍ，柵長(zhǎng)縮短到９０ｎｍ，當(dāng)源漏電壓為５Ｖ，柵電壓為 －２．１ Ｖ 時(shí)， 測(cè) 得 ｆＴ 和 ｆｍａｘ 分 別 提 高 到 １００ＧＨｚ 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１７．５ｎｍ Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎ 勢(shì)壘層，柵長(zhǎng)為１００ｎｍ，源漏電壓為２．５Ｖ，柵電壓為－２Ｖ 時(shí)，輸出電流為０．７５Ａ／ｍｍ，ｆＴ和ｆｍａｘ分別為１０１ＧＨｚ和１２８ＧＨｚ；２０１５年 Ｍａｒｔｉ等［２６］采 用 ３．５ｎｍ 厚 的 ＡｌＩｎＮ 作 為 勢(shì) 壘 層，制備了柵長(zhǎng)為５０ｎｍ 的 ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ 器件，源漏電壓５Ｖ，柵電壓２Ｖ 時(shí)，輸出電流為１．６Ａ／ｍｍ，ｆＴ和ｆｍａｘ分別提升至１４１ＧＨｚ和２３２ＧＨｚ。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１０Ｖ，柵電壓為－２Ｖ 時(shí)，測(cè)試得到ｆＴ和ｆｍａｘ分別為２８ＧＨｚ和６４ＧＨｚ；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／ＧａＮＨＥＭＴ器件，其采用了厚度僅為８ｎｍ 的ＡｌＧａＮ 勢(shì)壘層，柵長(zhǎng)為０．１５ μｍ，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)８．３２ＴＨｚ·Ｖ。此外，在２０１８年他們還與 ＭＩＴ 合作［２９］報(bào)道了４０ｎｍ 柵長(zhǎng)的Ｉ型 柵ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ器件，測(cè)得ｆＴ和ｆｍａｘ分別達(dá)到２５０ＧＨｚ和６０ＧＨｚ。同年，南京電子 器 件 研 究 所 與 蘇 州納米所合作［３０］報(bào)道了５５ｎｍ 柵長(zhǎng)的 Ｔ 型柵 ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ｎ／ＡｌＮ／ＧａＮＨＥＭＴ器件，經(jīng)測(cè)試ｆＴ和ｆｍａｘ分別為１４５ＧＨｚ和２２０ＧＨｚ，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７０Ｖ，工作頻率為２．１４ＧＨｚ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) １２．８８Ｗ／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９ｎｍ 厚的 ＡｌＩｎＮ勢(shì)壘層，研制了柵長(zhǎng)為１００ｎｍ 的Ｓｉ基 ＧａＮ ＨＥＭＴ器件，在源漏電壓為１５Ｖ，工作頻率為１０ＧＨｚ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８ＧＨｚ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０．１６ μｍ 的 Ｔ 型柵ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ器件，源漏電壓為３０Ｖ，工作頻率為１４ＧＨｚ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) ８．１Ｗ／ｍｍ（脈寬為１００μｍ，占空比為１０％），功率增益為８ｄＢ，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)４０ＧＨｚ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 ＩＤ－ＶＧＳ曲線如圖６所示；２０１３年 Ｍｅｄｊｄｏｕｂ 等［３６］又將 ４０ＧＨｚ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９４ＧＨｚ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ＩＤ －ＶＧＳ曲線［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 雷 達(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 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６ＧＨｚ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２８Ｖ工作電壓以及２．５ＧＨｚ頻率下的線 性 增 益 達(dá) １４．８ｄＢ，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 始 Ｓｉ基 ＧａＮ 毫 米 波 功放的研究，并于２０１５年開發(fā)出１００ｎｍ 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，４０ＧＨｚ下的噪聲系數(shù)為 １．５ｄＢ，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３７～４３ＧＨｚ頻率范圍內(nèi)工作，４０ＧＨｚ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 ６０ｎｍ（Ｄ００６ＧＨ），未來(lái)將繼續(xù)向下開發(fā)４０ｎｍ 線寬的Ｓｉ基ＧａＮ 制程，并向市場(chǎng)提供功放、低噪放、開關(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?？梢?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０．１μｍＳｉ基 ＧａＮ 收發(fā)芯片

 

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２８Ｖ 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（０．７２ｄＢ／ｍｍ＠４ＧＨｚ）已接近ＳｉＣ基 ＧａＮ 材料的結(jié)果（０．５４ｄＢ／ｍｍ＠４ＧＨｚ），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

 

經(jīng)直流 測(cè) 試，０．２５ μｍ 器 件 的 最 大 電 流 密 度（ＩＤＳ.ｍａｘ）達(dá)０．９７Ａ／ｍｍ，峰值跨導(dǎo)（Ｇｍ.ｍａｘ）為０．２９Ｓ／ｍｍ，０．４μｍ 器 件 的 ＩＤＳ.ｍａｘ為 ０．９５ Ａ／ｍｍ，Ｇｍ.ｍａｘ為０．２６Ｓ／ｍｍ。此外按照ＩＤＳ＝１ｍＡ／ｍｍ 的標(biāo)準(zhǔn)，０．２５μｍ 和０．４μｍ 器 件 的 擊 穿 電 壓 均高于８０Ｖ，滿足２８Ｖ 工作需求。頻率方面，經(jīng)測(cè)試去嵌后０．４ μｍ 器件的ｆＴ和ｆｍａｘ分 別 為 ２７ ＧＨｚ和 ３３ ＧＨｚ；而 根 據(jù) －２０ｄＢ／ｄｅｃ斜率外推 |ｈ２１ |２和 ＭＳＧ／ＭＡＧ，得０．２５μｍ器件的ｆＴ和ｆｍａｘ分別為３５ＧＨｚ和４２ＧＨｚ。
 

經(jīng) Ｌｏａｄ－Ｐｕｌｌ連續(xù)波功率測(cè)試，０．４ μｍ 器件在頻率為４ＧＨｚ，電壓為２８Ｖ 下 的 線 性 增 益 高 達(dá)１７ｄＢ，ＰＡＥ約為５０％，Ｐｏｕｔ為４．５ Ｗ／ｍｍ。圖９顯示了０．２５μｍ 器件在１０ＧＨｚ的測(cè)試結(jié)果，源 漏 偏 置 電 壓 為２０Ｖ，線性增益為１２．３ｄＢ，Ｐｏｕｔ為３．６ Ｗ／ｍｍ，ＰＡＥ 約為４５％。

 

圖９ １０ＧＨｚ時(shí)Ｓｉ基 ＧａＮ 器件的功率特性

 

此外，還將０．２５ μｍ 工藝 Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件在１０ＧＨｚ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

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)在各類民生領(lǐng)域的普及應(yīng)用。