Si基GaN 射頻器件研究進展

摘要:

針對低成本、大尺寸的GaNHEMT技術，回顧了近年來Si基GaN射頻器件在大尺寸材料外延生長、器件製備工藝與單片積體電路等方面的國內外研究進展，指出推進其發展的重要意義，並分析了抑制射頻損耗、無金歐姆接觸及複合鈍化等技術難點，闡明瞭具有研究前景的最佳化及發展方向。基於高阻Si襯底上AlGaN/GaNHEMT結構，透過調控C摻雜技術得到了較低的射頻損耗，研製出V型柵結構的Si基GaN射頻器件，10GHz下的線性增益達12。3dB，Pout為3。6W/mm，PAE約為45%。分析表明，隨著材料與器件等基礎問題的解決，未來Si基GaN射頻器件在5G應用、低成本雷達等領域擁有巨大的發展前景。

作者：房柏彤，朱廣潤，張凱，郭懷新，陳堂勝 （南京電子器件研究所）

DOI：10。14106/j。cnki。1001-2028。2021。1550

第三代半導體氮化鎵（ＧａＮ）材料具有禁頻寬度大、電子飽和速度及電子遷移率高、擊穿場強高等特性［１］，使 ＧａＮ ＨＥＭＴ 器 件 擁 有 高 頻 率、高功率、耐高溫高壓、抗輻射等優點，在 射 頻 領 域 有 廣 闊 的 應 用 前 景，得到了美國 Ｃｒｅｅ等半導 體 巨 頭 公 司 的 關 注［２－４］，國內也有北 大、西 電［５］以 及 中 國 電 科 等 單 位 進 行 長 期 的研究。

碳化矽（ＳｉＣ）材 料 的 熱 導 率 高，晶 格 匹 配 性 優 異，由其外延 得 到 的 ＧａＮ 薄 膜 結 晶 質 量 是 最 優 的，然 而ＳｉＣ襯底的價格高昂，晶圓 尺 寸 小（３～４ 英 寸 為 主），不利於 ＧａＮ 射頻器件的產業化。矽（Ｓｉ）材料的價格低廉、晶圓尺寸大（≥６英寸）、熱導率良好，若能解決ＳｉＣＭＯＳ工藝與 ＧａＮ 製備工藝的相容問題，即可低成本、大規模地生產 ＧａＮ 射頻器件，進而推動５Ｇ 通訊及其他新興技術的普及應用。此外，除 了 傳 統 的 單 一射頻晶片 或 功 率 器 件 外，還 可 利 用 Ｓｉ工 藝 平 臺 實 現ＧａＮ 射頻器件與功率器件的單片整合，以及與Ｓｉ器件的異質異構整合等，大幅提升電路 性 能 與 集 成 密 度，推動智慧前端晶片技術發展。因此 Ｓｉ基 ＧａＮ 技術正受到國內外科研院所與產業界越來越多的關注 ［６－８］。

本文主要調研了 近 年 來 國 內 外 關 於 Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件在材料、工 藝 與 電 路 上 的 研 究 進 展，剖析了相關技術難點與存在問題，並展望了 Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件未來的最佳化發展方向。此 外 還 基 於 射 頻 損 耗 較 低 的高阻 Ｓｉ上 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ 材 料，報 道 了 研 制 的０．２５μｍ 及０．４μｍ 工藝下的Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件，經測試在 Ｃ波段及 Ｘ 波段下工作效能優異，揭示了Ｓｉ基ＧａＮ 射頻器件在５Ｇ 應 用 及 低 成 本 雷 達 等 領 域 的 獨 特優勢和應用前景。

1.國內外研究現狀

自２０世紀９０年代初，Ｋｈａｎ等［９］在藍寶石襯底上率 先 制 得 了 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ 結 構， 隨 後 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ 的 直 流 及 微 波 特 性 相 繼 被 報 道［１０－１１］， 關 於ＧａＮ ＨＥＭＴ器件的研究逐漸成為熱點。

由於 ＧａＮ 單晶難以製備，ＧａＮ ＨＥＭＴ器件一般由異質外延生長得到，所使用 的 襯 底 材 料 有 ＳｉＣ、藍寶 石、Ｓｉ三 種。半絕緣ＳｉＣ材料由於 具 備 良 好 的 晶 格 匹 配 性 和 優 良 的 熱導率，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、成本過高的問題，嚴重限制了 ＧａＮ 器件的推廣應用。而對於藍寶石襯底，其晶圓尺寸 較 大 且 價 格 較 為 便 宜，但其硬度太高、熱導率極低且晶格失配大，不 利 於 後 續 加 工 與 應用。

相較之下，Ｓｉ襯底上 ＧａＮ 技術不僅具有較好的熱導率和最低的襯底成本，而 且 晶 圓 尺 寸 大，起點６英寸且易升級到８英寸以上，並可與Ｓｉ工藝線相容，具有顯著的成本優勢和 規 模 化 生 產 能 力。下面將介紹近年來國內外關於Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件的研究進展。

１.１Ｓｉ基 ＧaＮ 射頻材料最佳化生長

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 發 展 的 主 要瓶頸，由 失 配 產 生 的 位錯與應力會嚴重 影 響 結 晶 質 量，並 惡 化 器 件 性 能。因此如何消除各外延 層 之 間 的 應 力，探 究 出 有 效 的 應 力調控技術，是改善 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 頻 器 件 各 項 特 性 的 基礎。此外，與電力電子器件不同，Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件由於高阻Ｓｉ晶圓難以製備，且襯 底 與 成 核 層 界 面 處 易形成導電層，導致器 件 在 高 頻 工 作 狀 態 下 存 在 射 頻 損耗，限制輸出功率和效率。因此，如 何 優 化 襯 底 及外延結構，抑制射頻損耗，是實現 Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件大規模高效應用的關鍵。

２０１９年，Ｔｚｅｎｇ等［１２］在８英寸Ｓｉ襯底上分別製備了 Ａｌ組分漸變 ＡｌＧａＮ 緩衝層和 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ 超晶格緩衝層 兩 種 結 構 的 ＧａＮ ＨＥＭＴ 器 件，如 圖 １ 所 示。

經 ＴＥＭ、ＸＲＤ、拉 曼 光 譜、ＡＦＭ、ＥＰＤ、直 流 特 性以及頻率特性等系統地測試 分 析 比 較 兩 種 結 構 對 器 件各項效能指標的影響，發現採用 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ 超晶格緩衝層結構的器件無論是結 晶 質 量 還 是 直 流 特 性 或 頻率特性均展現出更優的測試結果，在０．１７ μｍ 柵長下測得ｆＴ和ｆｍａｘ分別達到４１．６ＧＨｚ和１２６．４６ＧＨｚ。

同年 Ｙａｎｇ等［１３］設計了Ｓｉ摻雜的 ＡｌＧａＮ 背勢壘層以及 Ｃ摻雜的 ＧａＮ 緩衝層得到了漏電小、耐擊穿且電流崩塌效 應 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 構 對ＡｌＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ器 件 性 能 退 化 的 抑 制 效 果，發 現 帶有３．５ｎｍ 原位鈍化ＳｉＮ 帽層以及４．５ｎｍ ＡｌＮ 勢壘層結構的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）以及最好的穩定性。

圖１ 採用組分漸變 ＡｌＧａＮ 的緩衝層結構（ａ）和 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超晶格的緩衝層結構（ｂ）［１２］

２０１７年，Ｌｕｏｎｇ等［１５］採 用 ＨＬＨ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ的生長模式在高阻Ｓｉ襯底（１０４ Ω·ｃｍ）上外延出１００ｎｍ的 ＡｌＮ 緩 衝 層，得 到 的 ＧａＮ ＨＥＭＴ 有 效 抑 制 了 因ＡｌＮ／Ｓｉ之間晶格失配所產生的張應力，從而降低極化電場強度，減小射頻損耗。

透過對長度為１ ｍｍ 的共面波導（ＣＰＷ）測 試，１０ ＧＨｚ下 射 頻 損 耗 僅 ０．４ｄＢ／ｍｍ，４０ＧＨｚ下的射頻損耗低於１．２ｄＢ／ｍｍ，材料結構及測試結果如 圖 ２ 所 示。同 年，Ｃｏｒｄｉｅｒ等［１６］採 用ＮＨ３－ＭＢＥ技術，在高阻Ｓｉ襯底（１０４ Ω·ｃｍ）上生長了０．２μｍ 的 ＡｌＮ 成核層和０．５ μｍ 的 ＧａＮ 緩衝層，此生長模式相較於 ＭＯＣＶＤ 更易控制 ＡｌＮ／Ｓｉ間的介面態，且其低溫生長特性 能 在 抑 制 界 面 態 漏 電 的 同 時 保證高結晶質量。經測試３５ＧＨｚ下的射頻損耗低於０．３ｄＢ／ｍｍ，且７０ＧＨｚ下的射頻 損 耗 低 於０．５ｄＢ／ｍｍ，並對比了不同 ＡｌＮ 生長溫度 對 射 頻 損 耗 的 影 響，如圖３所示。

此外，Ｃｈｉｕ等［１７］利用絕緣襯底上矽（ＳＯＩ）製備 了 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＩＳＨＥＭＴ， 採 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於射頻器件的優點，經測試０．２５ μｍ 柵長下ｆＴ和ｆｍａｘ分別達３２．１ＧＨｚ和５１．９ＧＨｚ。

可以看出合理的帽層、勢 壘 層 以 及 緩 衝 層 等 結 構設計不但能夠調控應 力 提 高 結 晶 質 量，還能使器件具備優異的直流特性和頻率特性，與 此 同 時 要 優 化 襯 底及成核層結 構 以 求 降 低 射 頻 損 耗，一 方 面 可 以 提 高ＡｌＮ 的結晶質量並抑制 ＡｌＮ／Ｓｉ間的介面態，另一方面應從緩 衝 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１００ｎｍ ＨＬＨ ＡｌＮ 的射頻損耗［１５］

１.2 無金的Ｓｉ基 ＧａＮ 工藝技術

現有的Ｓｉ基 射 頻 ＧａＮ 器 件 制 造 工 藝 幾 乎 都 是 基於有金（Ａｕ）工藝 完 成 的。Ａｕ是 傳 統 ＧａＮ 器 件 歐 姆 接觸工藝中的必 備 金 屬 之 一，採 用 Ｔｉ／Ａｌ／Ｘ／Ａｕ（Ｘ 可 為Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｐｔ等）結 構 合 金 的 接 觸 電 阻 可 達 到０．３Ω·ｍｍ 左 右，且 性 能 穩 定。

然 而，含 Ａｕ的 ＧａＮ 製備工藝存在著成本高以及與傳統 ＣＭＯＳ工 藝 不 兼 容 等問題，提高了 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 頻 器 件 的 生 產 成 本。實 現無 Ａｕ工藝的關鍵是做到源漏金屬的無 Ａｕ化，對此已有 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，然而面對射頻器件對 寄 生 電 阻 的 嚴 格 要 求 仍 存 在 較 大的差距。

圖３ 不同溫度下采用 ＮＨ３－ＭＢＥ技術生長 ＧａＮ／ＡｌＮ緩衝層的射頻損耗對比［１６］

２０１７年，Ｆｅｒｒｅｙｒａ等［１８］採 用 脈 衝 激 光 燒 蝕 技 術（ＰＬＤ），在Ｓｉ襯 底 上 制 備 了 表 面 光 滑 且 形 貌 良 好 的ｎ＋ －ＧａＮ，並在 其 上 澱 積 Ｈｆ／Ａｌ／Ｔｉ（２０／２００／２０ｎｍ）形成無 Ａｕ歐姆接觸，此外 Ｈｆ金屬的功函式（３．５ｅＶ）低於 Ｔｉ（４．１ｅＶ）與 ＴｉＮ（４．７ｅＶ），故 更 適 合 作 為 歐 姆 接觸的 電 極，經 測 試 得 到 接 觸 電 阻 為０．１７Ω·ｍｍ，比接觸 電 阻 可 達 １０－７ Ω·ｃｍ２ 量 級。

２０１８ 年，Ｚｈａｎｇ等［１９］在Ｓｉ襯 底 上 經 勢 壘 層 刻 槽 處 理 後，採 用 Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ （２．５／１００／２０／６０ｎｍ）的 無 Ａｕ歐 姆 接 觸 工 藝 製備了 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ 器 件，退 火 後 的 結 構 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 生 固 相 反 應 生成 ＡｌＮ，又不會因 Ｔｉ太厚而阻止兩者反應，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。

可見採 用 二 次 外 延 高 質 量 ｎ＋ －ＧａＮ、勢 壘 層 刻 槽以及無 Ａｕ歐 姆 接 觸 等 技 術，能 夠 得 到 較 低 的 接 觸 電阻和比接觸 電 阻 並 改 善 表 面 形 貌。此 外 無 Ａｕ的 歐 姆接觸工藝也為實現無 Ａｕ的Ｓｉ基 ＧａＮ 技術，降低生產成本提供了保障。

（ａ）合金退火後金屬結構；（ｂ）合金與半導體接觸面結構

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

１．３ 複合鈍化的Ｓｉ基 ＧａＮ 工藝技術

為了 解 決 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 頻 器 件 的 電 流 崩 塌 問 題，一般需要在器件表面澱積 ＳｉＮ 鈍化保護層，其能夠有效抑制表面態對電子的俘獲效應，從而抑制電流崩塌，但是與此同時溝道的 電 子 濃 度 也 會 提 高，短溝道效應也隨之加劇，惡 化 輸 出 特 性 和 關 斷 特 性。

此外ＳｉＮ 鈍化層通常由ＰＥＣＶＤ 低溫生長得到，此工藝會導致ＳｉＮ薄膜中 Ｈ 離子雜質過多且緻密性較差，鈍化效果不理想。並且由於Ｓｉ襯底的絕緣度遠不如ＳｉＣ 襯底，漏電問題也嚴重製約著 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 頻 器 件 的 性 能。

因此探究高水平的先進鈍化工藝是 有 效 抑 制 電 流 崩 塌 和 表面漏電的關鍵技術方案。ＬＰＣＶＤ 不同於 ＰＥＣＶＤ，是一種高溫鈍化ＳｉＮ 的工藝，通 常 在 器 件 工 藝 開 始 前 完成，生長得到 的 鈍 化 層 致 密 性 好、質量高。原位鈍化ＭＯＣＶＤ 是一種在 ＧａＮ 生長結束後繼續生長ＳｉＮ 保護層的方法，能夠有效避 免 器 件 表 面 受 到 外 界 環 境 的 汙染，故鈍化效果良好。

２０１９年，Ｚｈａｎｇ等［２０］採 用 ＬＰＣＶＤ 技 術 在 ＧａＮ表面生長了一層２０ｎｍ 的 ＳｉＮ 鈍化層，經 ＣＶ 測試分析發現由 ＬＰＣＶＤ 生 長 的 鈍 化 層 相 較 於 ＰＥＣＶＤ 具備更好的致 密 性，並 且 能 夠 有 效 抑 制 表 面 漏 電。２０２０年，Ｃｈｅｎ等［２１］採用原位鈍化 ＭＯＣＶＤ 技術在勢壘層上生長了３ｎｍ 的ＳｉＮ 作為柵介質，製得０．７μｍ 柵長的 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＩＳＨＥＭＴ 器件效能良好，電路開關比達１０６，電流退化率為１８％，測得ｆＴ和ｆｍａｘ分別為１２．５ＧＨｚ和１５ＧＨｚ。

為了比較 ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ 複合鈍化以及原位鈍化 ＭＯＣＶＤ 對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 在同種器件結構上製備了三種ＳｉＮ 鈍化層，鈍化效果對比 如 圖 ５ 所 示， 可 以 看 出 ＬＰＣＶＤ 復 合 鈍 化 層（Ｂｉｌａｙｅｒ）的曲線波動是最小的，說 明 該 種 鈍 化 方 式 對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 減 小 漏 電， 並 改 善ＰＥＣＶＤ 鈍化帶來的緻密性差、Ｈ 離 子 雜 質 多 等 問題，可採用原位鈍化 ＭＯＣＶＤ 以及 ＬＰＣＶＤ 生長高質量的鈍化層。然而緻密 性 過 高 的 鈍 化 層 難 以 刻 蝕，會影響後續器件工藝開展，對 此 可 採 用 復 合 鈍 化 的 辦 法，在一層較薄的原位鈍化 ＭＯＣＶＤＳｉＮ 或 ＬＰＣＶＤＳｉＮ 上透過ＰＥＣＶＤ 繼續生長ＳｉＮ，最終形成的高質量複合鈍化層既有很好的保護作用又便於後續器件工藝的進行。

（ａ）電流響應；（ｂ）陷阱時間常數

圖５ 三種鈍化層的效果對比［２２］

１．４ Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件與電路設計

伴隨著材料結構設計和器件製備工藝的持續改進，Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件及其電路的效能也不斷重新整理著行業記錄。

在微波毫 米 波 頻 率 特 性 方 面，早 在 ２００４ 年 法 國ＧａＮ 研究中心（ＩＥＭＮ）的 Ｍｉｎｋｏ等［２３］率 先 在 電 阻 率 為２０ｋΩ·ｃｍ 的高阻Ｓｉ襯底上製備了柵長為１７０ｎｍ，且ＡｌＧａＮ 勢壘層厚度為３０ｎｍ 的 ＧａＮ ＨＥＭＴ射頻器件，當源漏電 壓 為 １０ Ｖ，柵 電 壓 為 １ Ｖ 時，輸 出 電 流 為０．５５Ａ／ｍｍ，ｆＴ和ｆｍａｘ分別為４６ＧＨｚ和９２ＧＨｚ；並在２０１３年 Ｂｏｕｚｉｄ等［２４］將 ＡｌＧａＮ 勢壘層的厚度降低到１２．５ｎｍ，柵長縮短到９０ｎｍ，當源漏電壓為５Ｖ，柵電壓為 －２．１ Ｖ 時， 測 得 ｆＴ 和 ｆｍａｘ 分 別 提 高 到 １００ＧＨｚ 和 ２０６ ＧＨｚ。

２００９ 年， 瑞 士 聯 邦 理 工 學 院（ＥＰＦＬ）與 蘇 黎 世 聯 邦 理 工 學 院（ＥＴＨ）合作［２５］，採用１７．５ｎｍ Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎ 勢壘層，柵長為１００ｎｍ，源漏電壓為２．５Ｖ，柵電壓為－２Ｖ 時，輸出電流為０．７５Ａ／ｍｍ，ｆＴ和ｆｍａｘ分別為１０１ＧＨｚ和１２８ＧＨｚ；２０１５年 Ｍａｒｔｉ等［２６］採 用 ３．５ｎｍ 厚 的 ＡｌＩｎＮ 作 為 勢 壘 層，製備了柵長為５０ｎｍ 的 ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ 器件，源漏電壓５Ｖ，柵電壓２Ｖ 時，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（ＮＴＵ）在大尺寸矽基 ＧａＮ 材料外延與器件製備方面也進 行 了 大 量 的 研 究，２０１２年 Ｎｇ等［２７］基於８英寸Ｓｉ晶圓製備了柵長為０．３μｍ 的Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件，源漏電壓為１０Ｖ，柵電壓為－２Ｖ 時，測試得到ｆＴ和ｆｍａｘ分別為２８ＧＨｚ和６４ＧＨｚ；接著在２０１４年 Ｒａｎｊａｎ等［２８］又 報 道 了 基 於 高 阻 Ｓｉ襯 底 的 Ｔ 型 柵ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ器件，其採用了厚度僅為８ｎｍ 的ＡｌＧａＮ 勢壘層，柵長為０．１５ μｍ，經測試ｆＴ和ｆｍａｘ分別達 到 了 ６３ ＧＨｚ和 １２８ ＧＨｚ，擊 穿 電 壓 為 １３２ Ｖ，Ｊｏｈｎｓｏｎ品質因子高達８．３２ＴＨｚ·Ｖ。此外，在２０１８年他們還與 ＭＩＴ 合作［２９］報道了４０ｎｍ 柵長的Ｉ型 柵ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ器件，測得ｆＴ和ｆｍａｘ分別達到２５０ＧＨｚ和６０ＧＨｚ。

同年，南京電子 器 件 研 究 所 與 蘇 州奈米所合作［３０］報道了５５ｎｍ 柵長的 Ｔ 型柵 ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ｎ／ＡｌＮ／ＧａＮＨＥＭＴ器件，經測試ｆＴ和ｆｍａｘ分別為１４５ＧＨｚ和２２０ＧＨｚ，可與國外先進研究成果相媲美。

在微波功率方面，日本 ＯＫＩ公司的Ｓｈｉｎｉｃｈｉ等［３１］在２００９年就有相關研究成果報道，在源漏電壓為７０Ｖ，工作頻率為２．１４ＧＨｚ時，測試高阻Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件功率 特 性，得 到 輸 出 功 率 密 度 （Ｐｏｕｔ）達 １２．８８Ｗ／ｍｍ，最大功率附加效率（ＰＡＥ）達６４％，測試結果表明Ｓｉ基 ＧａＮ 在射頻應 用 方 面 存 在 巨 大 潛 力；

同年，瑞士聯邦理工學院的 Ｓｕｎ等［２５］基於９ｎｍ 厚的 ＡｌＩｎＮ勢壘層，研製了柵長為１００ｎｍ 的Ｓｉ基 ＧａＮ ＨＥＭＴ器件，在源漏電壓為１５Ｖ，工作頻率為１０ＧＨｚ時測得Ｐｏｕｔ為 ２．５ Ｗ／ｍｍ，ＰＡＥ 達 ２３％；２０１２ 年，Ｃｈａｎｇ等［３２］採用斜場板結構研製的Ｓｉ基 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ 器件在８ＧＨｚ下 Ｐｏｕｔ達到了５ Ｗ／ｍｍ；２０１４年，日本瑞薩電子的 Ｙａｓｕｈｉｒｏ等［３３］製備了柵長為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，Ｐｏｕｔ為３．８２ Ｗ／ｍｍ；

同 年，首 爾 大學的 Ｌｅｅ等［３４］報道了研製的Ｓｉ基 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ器件在 ８ ＧＨｚ下 的 功 率 性 能，脈 衝 輸 出 功 率 達 ８．１Ｗ／ｍｍ（脈寬為１００μｍ，佔空比為１０％），功率增益為８ｄＢ，ＰＡＥ達３９％，總功率接近３０ Ｗ。

在 毫 米 波 功 率 方 面， 法 國 ＩＥＭＮ 的 Ｍｅｄｊｄｏｕｂ等［３５］於２０１２年 在 ４ 英 寸 高 阻 Ｓｉ襯 底 上 制 備 了 ＡｌＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ器件並展示了首個４０ＧＨｚ頻率下的功率測試結果，得 到 Ｐｏｕｔ為 ２．５ Ｗ／ｍｍ，器 件 結 構 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］報道了國際上首個 Ｗ 波段 Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件，工作頻率為９４ＧＨｚ時，Ｐｏｕｔ達１．３５ Ｗ／ｍｍ。

圖６ ＩＥＭＮ 製備的毫米波器件結構及其ＩＤ －ＶＧＳ曲線［３５］

在產品方面，近年來在５Ｇ 通 信 技 術 和 先 進 低 成本相 控 陣 雷 達 得 到 越 來 越 廣 泛 應 用 的 大 背 景 下，ＯＭＭＩＣ、ＭＡＣＯＭ、ＩＭＥＣ 以 及 ＭＩＴ 等 海 外 巨 頭 公司和機構紛紛加大投入，在器件效能、成本和技術等方面展現出 卓 越 的 市 場 競 爭 實 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，並逐漸將重心從ＳｉＣ基 ＧａＮ 晶片轉移過來，截至目前已經開發了多代Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件，向通訊、軍事以及其他應用領域的客 戶 提 供 了 上 百 萬 件 基 於Ｓｉ基ＧａＮ技術的產品。採用標準的０．５μｍ ＨＥＭＴ工藝製程製備的分立 及 集 成 放 大 器，能夠在直流到６ＧＨｚ的超寬頻帶範圍內工作，同時產品的增益、增益平坦度、效率以及 穩 定 性 均 處 於 行 業 領 先 水 平，如 ＮＰＴＢ００００４Ａ

型寬頻 ＧａＮ電晶體在２８Ｖ工作電壓以及２．５ＧＨｚ頻率下的線 性 增 益 達 １４．８ｄＢ，Ｐｏｕｔ為 ５ Ｗ，且 ＰＡＥ 超 過５５％，憑藉其超 寬 的 工 作 頻 率 範 圍 可 應 用 於 Ｌ／Ｃ波段雷達、無線通訊 以 及 航 空 航 天 等 領 域。此外 ＭＡＣＯＭ公司還於２０１８年宣佈了與意法半導體（ＳＴ）的合作計劃，由ＳＴ協助 ＭＡＣＯＭ 生產晶圓，顯著提升了Ｓｉ基 ＧａＮ射頻晶片的產能以及國際競爭力。

ＯＭＭＩＣ公司於２００６年 開 始 Ｓｉ基 ＧａＮ 毫 米 波 功放的研究，並於２０１５年開發出１００ｎｍ 製程下的Ｓｉ基ＧａＮ 器件 制 備 工 藝 技 術 （Ｄ０１ＧＨ）， 在 ３０ ＧＨｚ 時，Ｐｏｕｔ達３．３ Ｗ／ｍｍ，４０ＧＨｚ下的噪聲係數為 １．５ｄＢ，已接近 ＳｉＣ 基 ＧａＮ 器件效能。

緊接著在２０１６年公佈了首個基於Ｓｉ基 ＧａＮ 技術的高效能 Ｔ／Ｒ 晶片，能夠在３７～４３ＧＨｚ頻率範圍內工作，４０ＧＨｚ下的總輸出功率達１０ Ｗ，且 ＰＡＥ達３０％，實現了低噪放、功放以及開關的單片整合，可 較 好 地 應 用 於 雷 達、通訊以及航空等領域。

目前 ＯＭＭＩＣ 公 司 已 具 備 全 球 領 先 的６英 寸 Ｓｉ基 ＧａＮ 生 產 線， 並 且 制 程 推 進 到 ６０ｎｍ（Ｄ００６ＧＨ），未來將繼續向下開發４０ｎｍ 線寬的Ｓｉ基ＧａＮ 製程，並向市場提供功放、低噪放、開關以及移相器完全整合，且相容增強型和耗盡型器件的 Ｔ／Ｒ 晶片單片化方案，其 Ｔ／Ｒ 晶片的發展路線如圖７所示。

可見 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 技 術 和器件製備工藝的逐漸成熟，Ｓｉ基 ＧａＮ 器件的截止頻率和功率密度 等 主 要 參 數 都 在 逐 步 提 高，未 來 達 到 與ＳｉＣ基 ＧａＮ 相媲美的 性 能 指 日 可 待。同時微波毫米波頻段下基於 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 頻 器 件 的 產 品 也 陸續得以釋出，展現出了巨大的競爭潛力，相 信 在 未 來 將 逐 步 佔據更大的市場份額。

圖７ ＯＭＭＩＣ公司釋出的０．１μｍＳｉ基 ＧａＮ 收發晶片

２ Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件研製

圖８為 制 備 的 ０．２５ μｍ 和 ０．４ μｍ 柵 長 的 Ｓｉ基ＧａＮ 材料與器件結構示意圖，本 結 構 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，同時對 ＧａＮ緩衝層進行一定濃度的 Ｃ 摻雜後 測 得 射 頻 損 耗（０．７２ｄＢ／ｍｍ＠４ＧＨｚ）已接近ＳｉＣ基 ＧａＮ 材料的結果（０．５４ｄＢ／ｍｍ＠４ＧＨｚ），此 外 還 採 用 了 基 於 難 熔 Ｗ 金屬的疊層 Ｖ 型 柵 結 構，以 得 到 更 大 的 擊 穿 電 壓 和 更 高 的頻率。

圖８ Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻材料與器件結構示意圖

經直流 測 試，０．２５ μｍ 器 件 的 最 大 電 流 密 度（ＩＤＳ。ｍａｘ）達０．９７Ａ／ｍｍ，峰值跨導（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 的標準，０．２５μｍ 和０．４μｍ 器 件 的 擊 穿 電 壓 均高於８０Ｖ，滿足２８Ｖ 工作需求。頻率方面，經測試去嵌後０．４ μｍ 器件的ｆＴ和ｆｍａｘ分 別 為 ２７ ＧＨｚ和 ３３ ＧＨｚ；而 根 據 －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 Ｌｏａｄ－Ｐｕｌｌ連續波功率測試，０．４ μｍ 器件在頻率為４ＧＨｚ，電壓為２８Ｖ 下 的 線 性 增 益 高 達１７ｄＢ，ＰＡＥ約為５０％，Ｐｏｕｔ為４．５ Ｗ／ｍｍ。圖９顯示了０．２５μｍ 器件在１０ＧＨｚ的測試結果，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 外 研 究 成 果 進 行 對比，如表１所示，可見研製的Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件功率特性良好，達到國際先進水平。

表１ Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件在 Ｘ 波段下功率特性對比

３ 總結與展望

透過對 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 頻 器 件 在 材 料 生 長、器件製備以及器件效能等方面的調研分析，介紹了改善Ｓｉ基ＧａＮ 材料結構 缺 陷 並 優 化 器 件 制 備 流 程 的可靠途徑。

材料方面，超 晶 格 緩 衝 層、背 勢 壘 層、Ｃ 摻 雜 ＧａＮ層、高質量成核層、ＧａＮ 帽 層 以 及 高 絕 緣 度 襯 底 等 結構設計，均有助於 改 善 晶 格 失 配、漏 電 及 射 頻 損 耗 等問題，而面向於射頻領域的 Ｓｉ基 ＧａＮ 材料結構還應控制外延層厚度 以 獲 得 較 低 的 熱 阻；工藝方面，為最大降低成本，無 Ａｕ工藝是必要選擇，對於無 Ａｕ歐姆接觸工藝，結合二次外延 ｎ＋ －ＧａＮ 以及勢壘層刻槽等技術有助於提升表面 形 貌 並 降 低 接 觸 電 阻，同時結合ＰＥＣＶＤ、原位鈍化和 ＬＰＣＶＤ 的複合 鈍 化 工 藝 在 對 表面的保護和漏電的抑制方面均表現出良好的效果。

低成本、批次化的生產Ｓｉ基 ＧａＮ 射頻器件是５Ｇ通訊、射頻源等應 用 實 現 的 重 要 保 障。儘管目前國內外各研究機構在 Ｓｉ基 ＧａＮ 射 頻 材 料 外 延 與器件效能方面取得了一定進展，但是效能上與ＳｉＣ襯底 ＧａＮ 相比仍然存在較大差距，而且可靠性 未 得 到 長 期 驗 證，離產業化尚存在較大距離。未來，通 過 提 高 外 延 材 料質量，開發相容 ＣＭＯＳ的大尺寸製造工藝，提高Ｓｉ基ＧａＮ 器件與電路晶片效能，降低生產成本，有望推動ＧａＮ 射頻技術在各類民生領域的普及應用。

以上文章系轉載，版權歸原作者所有，轉載目的在於傳遞更多資訊，並不代表第三代半導體產業的觀點，如涉及作品內容、版權和其它問題，請與本號聯絡，我們將在第一時間刪除內容！