寬禁帶半導體技術(shù)最新進展

摘要： 介紹DARPA寬禁帶半導體技術(shù)計劃第二階段計劃目標及其演示進展情況。

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

引言

在過去的幾年里，由于美國政府與商業(yè)部門的大力支持，寬禁帶半導體技術(shù)進展迅速。尤其是2002年美國國防先進研究計劃局(DARPA)實施的寬禁帶半導體技術(shù)計劃(WBGSTI)，成為加速改進SiC、GaN以及AlN等寬禁帶半導體材料特性的重要“催化劑”。

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

該計劃分三個階段進行。在第一階段(2002～2004年)，市場銷售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。第一階段計劃的成功實施為其順利進行奠定堅實基礎(chǔ)。第二階段(2005～2007年)計劃稱作“射頻應用寬禁帶半導體計劃”(WBGS-RF)，其目的是利用寬帶隙半導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用。

第二階段計劃已于2005年5月啟動，并取得一定進展。下面介紹第二階段計劃目標及演示進展情況。
　　
第二階段計劃目標

美國國防高級研究計劃局射頻應用寬禁帶半導體材料計劃第二階段計劃是一項全面計劃，其目的是設(shè)計、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體器件。具體的計劃目標是：
*演示可制造以及可生產(chǎn)的寬禁帶半導體器件以及單片MMIC制作工藝；
*演示的寬禁帶半導體器件以及MMIC不僅可以生產(chǎn)，可靠性高，而且性能絕對優(yōu)于基于GaAs的微波/毫米波器件以及MMIC；
*理解寬禁帶半導體器件的降級機理，研制魯棒、高可靠的寬禁帶半導體器件以及MMIC；
*為了準確地預測寬禁帶半導體器件的射頻性能，開發(fā)并使用物理模型；
*通過熱擴散以及冷卻，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體器件以及MMIC的普遍適用性，該計劃由3個小組分別進行演示。這三個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

在這項演示中，由TriQuint半導體以及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，其瞬時帶寬超過10倍(如從2GHz到20GHz)。表1給出該演示的具體性能指標要求。隨著計劃的進展，承包商將達到或超越這些具體的繼續(xù)/不繼續(xù)(GNG)里程碑。

TriQuint半導體公司負責的研制小組取得的最新進展是：
*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；
*通過降低柵極泄漏、提高擊穿電壓以及進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；
*對利用9個3英寸晶片制作的器件進行的演示表明：在10 GHz時其最大穩(wěn)定增益的射頻一致性為0.9 dB；

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

圖1 X波段器件短期射頻穩(wěn)定性測試圖

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中的性能指標要求。同前述研究相似，可靠性任務包括通過生長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，改善的生長環(huán)境能夠降低3英寸晶片的位錯密度。最新器件拓撲結(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挑戰(zhàn)，即：準確地測定結(jié)溫以及解決因GaN熱膨脹帶來的阻抗失配問題。

Q波段大功率放大器

這項演示由諾斯羅普