大功率GaN基HEMT技術(shù)發(fā)展路線和主要申請人專利技術(shù)分析綜述

武樹杰++李娟娟

【摘 要】大功率HEMT（High Electron Mobility Transistor：高電子遷移率晶體管）由于其優(yōu)良的性能，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，隨著第三代（3G）、第四代（4G）無線通訊，全球定位系統(tǒng)，軍用雷達，高速鐵路，和電動汽車的發(fā)展，對微電子材料提出了更高的要求，要求材料具有高的熱穩(wěn)定性、高抗輻射性、高頻響應(yīng)、耐腐蝕性、耐高壓和傳輸大電流和更快的傳輸速度。通過分析大功率HEMT（High Electron Mobility Transistor：高電子遷移率晶體管）相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中分類號的分布以及與技術(shù)的關(guān)聯(lián)，給出了技術(shù)路線圖，并給出了過內(nèi)技術(shù)的發(fā)展，分析了國內(nèi)外申請人人代表性專利。

【關(guān)鍵詞】高電子遷移率晶體管 二維電子氣 技術(shù)路線

1 引言

GaN基HEMT具有大電流密度、高功率密度、低噪聲、良好的頻率特性決定了GaN在軍用民用兩個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，GaN基HEMT的單位功率密度是GaAs基HEMT的10倍，可以減小系統(tǒng)尺寸并降低阻抗匹配的難度。GaN基功率器件具有較高的工作電壓，一般民用通訊基站前端工作電壓為28V，使用Si和GaAs需要降低工作電壓，需要變壓器，并可能產(chǎn)生失真。GaN基功率器件可以工作于42V，可以減小系統(tǒng)體積和系統(tǒng)復(fù)雜程度，并且GaN基功率器件可以工作在Ka波段以及300℃的高溫環(huán)境，在武器應(yīng)用方面有著重要的應(yīng)用價值。其覆蓋1-100GHz的工作頻率可以廣泛應(yīng)用于3G＼4G通訊、衛(wèi)星通訊、相控陣雷達、智能武器等方面。

2 專利技術(shù)發(fā)展路線

GaN是理想的耐高溫、高頻、大功率微波器件材料，1991年美國APA光學(xué)公司的Khan等人成功研制出世界上首支AlGaN/GaN HEMT，并在美國提出了專利申請（701，792； 26，528公開號分別為：US5192987A，US5296359A）分別為具有GaN/AlxGa1-xN異質(zhì)結(jié)的HEMT器件[1]，以及制造方法的另一專利申請，上述兩項專利申請還不能進行大規(guī)模的應(yīng)用，處于實驗室階段，但是開啟了GaN基功率器件的研究。

2003年NEC公司通過引入場板技術(shù)增大器件的柵漏擊穿電壓，功率密度達到11.2W/mm@10GHz；克里（CREE）在具有InGaN背勢壘上的SiC襯底上制備的AlGaN/GaN材料上研制了150nm柵長的HEMT，功率密度達到了13.7W/mm@30GHz；2008年HRL研制的AlGaN/GaN/Al0.04Ga0.96N的雙異質(zhì)結(jié)HEMT峰值頻率高達200GHz。

2.1 全球?qū)＠麪顩r分析

美國引用量最多，然后是中國和歐洲，日本引用的很少，這與日本的撰寫習(xí)慣有關(guān)，日本申請人通常只引用自己本國的專利申請，從年代引用的情況來看，以美國的引用為例，其變化趨勢與GaN基HEMT在全球申請隨時間的變化一致。后繼申請的技術(shù)方案均是以該申請文件中的披露的技術(shù)方案為基礎(chǔ)，并沒有對器件主要結(jié)構(gòu)進行突破，均是改善行發(fā)明，在提高材料質(zhì)量的大目標下，通過改進器件的局部結(jié)構(gòu)，如：柵極和源漏極之間的隔離，柵極介質(zhì)，柵極形狀，限制溝道區(qū)2DEG的材料等方面改善器件的性能。下邊以克里公司為例說明通過場板技術(shù)，提高器件性能。

克里公司在GaN基HEMT器件取得領(lǐng)先優(yōu)勢，得益于期生長的出其他公司不能比擬的高質(zhì)量的GaN，其場板技術(shù)提高器件的性能，公開號為CN1950945A的專利文獻[2]及其相應(yīng)的同族，公開了一種晶體管，包含多個位于一基片上的有源半導(dǎo)體層，并且其源極與漏極與這些半導(dǎo)體層接觸。在這些源極與漏極之間以及多個半導(dǎo)體層上形成一柵極。在這些半導(dǎo)體層上配置多個場板，每一場板從該柵極的邊緣朝該漏極延伸，并且每一場板與這些半導(dǎo)體層、以及與這些場板的其它場板隔離。這些場板的最高場板電連接至該源極，并且這些場板的其它場板電連接至柵極或源極，能夠解決場板至漏極電容的引起減小增益影響輸出穩(wěn)定性的技術(shù)問題。

2.2 國內(nèi)專利狀況分析

從我國主要的申請人可以看出，主要的參與者包括中科院、中國電子集團，其中，最為活躍的是中科院半導(dǎo)體研究所，中科院微電子研究所，中國電子集團13所，中國電子集團55所。高校研究者為西安電子科技大學(xué)。主要的研究的企業(yè)為西安能訊半導(dǎo)體。

中科院半導(dǎo)體研究所的特長在于提供高質(zhì)量的GaN材料，其處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，并實現(xiàn)了小量供片，國內(nèi)的西安電子科技大學(xué)的對GaN基微電子材料進行了深入的研究。由國家牽頭，中科院半導(dǎo)體所和中國電子集團合作，2000年制作出了國內(nèi)首支GaN基HEMT器件，并由半導(dǎo)體所提供材料，與中國電子集團的13所和55所合作，在2003年制造出C波段大尺寸GaN基HEMT器件，在2004制造出輸出功率大于1W的國內(nèi)第一支X波段GaN基HEMT器件，2008年制造出X波段GaN基HEMT器件脈沖輸出功率為176W，連續(xù)輸出功率為130.32W，功率密度為17.8W/mm。

3 結(jié)語

本文主要以中文專利摘要數(shù)據(jù)庫、德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫和世界專利文摘庫數(shù)據(jù)庫收錄的專利為樣本，通過分析了國內(nèi)外大功率GaN基HEMT器件的專利技術(shù)路線，以及主要申請人做了進一步分析，總體上來說，GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)和已經(jīng)趨于穩(wěn)定，如何進一步提高器件的性能成為主要的研究熱點。

參考文獻：

[1]US5192987，Muhammed A. Khan James M. VanHove Jon N. Kuznia Donald T. Olson ，”High electron mobility transistor with GaN/AlxGa1-xN heterojunctions”.

[2]CN1950945A，吳益逢 P·帕里克 U·米史拉 M·摩爾，具有多個場板的寬能帶隙晶體管.