高功率微波GaN器件研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

成都西科微波通訊有限公司 李國(guó)熠

成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司 滑育楠 鄔海峰

1.引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，以氮化鎵（GaN）為首第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件已經(jīng)在近年來(lái)得到廣泛關(guān)注與研究。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累，GaN HEMT MMIC于2010年已開(kāi)始進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，成千上萬(wàn)的高功率微波GaN器件應(yīng)用到雷達(dá)、電子戰(zhàn)裝備和移動(dòng)通信基站等領(lǐng)域。它是目前學(xué)術(shù)界產(chǎn)業(yè)界研究的熱點(diǎn)，也是軍用設(shè)備、民用通信中關(guān)鍵技術(shù)。本文在分析高功率微波GaN器件研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)了其發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景，供有關(guān)學(xué)者參考。

2.GaN器件現(xiàn)狀

圖1 半導(dǎo)體材料特性

GaN材料十分適合制作高功率、高頻率、穩(wěn)定性好的電路。其半導(dǎo)體材料特性對(duì)比參見(jiàn)圖1[1]。近幾年GaN HEMT與MMIC應(yīng)用研究的技術(shù)創(chuàng)新非常活躍，在高效率、寬頻帶、高功率、MMIC和先進(jìn)熱管理等方面的研究均有長(zhǎng)足的進(jìn)步，表現(xiàn)出GaN HEMT技術(shù)在微波、毫米波領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新能力。目前GaN HEMT的發(fā)展突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，如零微管缺陷、高質(zhì)量、高純半絕緣單晶襯底生長(zhǎng)、抑制電流崩塌、柵漏電流、逆壓電效應(yīng)、熱電子效應(yīng)和熱聲子效應(yīng)等失效機(jī)理和可靠性提升等，使其發(fā)展成為固態(tài)微波領(lǐng)域中新的核心技術(shù)。GaN在功率密度方面比Si，GaAs和InP等微波器件高近10倍，在2～40GHz內(nèi)，小柵寬器件的功率密度達(dá)到10W/mm以上，最高達(dá)到40W/mm[1]，在80GHz達(dá)到2W/mm[3]。納米量級(jí)的柵長(zhǎng)、抑制短溝道效應(yīng)和減少寄生參量等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)合，使GaN 器件高頻特性的截止頻率(fT)已達(dá)370 GHz[4]，最大振蕩頻率(fmax)已達(dá)518 GHz[5]。GaN 器件所具有的微波高功率密度和較好的高頻性能在雷達(dá)、通信和電子對(duì)抗等領(lǐng)域引起了高度關(guān)注，頻率從UHF到3mm波段，均有大量的GaN 器件研究錯(cuò)誤!未找到引用源[8]。

3.高功率微波GaN芯片現(xiàn)狀

圖2 GaN功放芯片輸出功率隨頻率變化曲線

基于文獻(xiàn)調(diào)研，功率放大器(PA)是目前研究熱點(diǎn)，在低噪聲放大、微波開(kāi)關(guān)等方面的研究也在逐步開(kāi)展。現(xiàn)有的最先進(jìn)的單片高功率微波GaN PA輸出功率隨頻率變化曲線如圖2所示，其輸出功率的理論極限約正比于1/f2。在DC-18 GHz，單片、窄帶GaN PA的輸出功率具有潛在提升空間。類(lèi)似的，GaN PA效率隨頻率變化曲線如圖3所示，其效率的理論極限約正比于1/f0.6。在10-25 GHz，單片、窄帶GaN PA的效率仍有較大提升空間。由于片上匹配電路元件的Q值較低，傳統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)方法在實(shí)現(xiàn)窄帶PA時(shí)，損耗較小切效率較高，但是隨著帶寬增大，片上匹配電路的損耗增加，導(dǎo)致效率大大降低。

圖3 GaN功放芯片效率隨頻率變化曲線

目前針對(duì)高功率微波GaN芯片的研發(fā)存在難題主要集中在：a.高效率寬帶PA設(shè)計(jì)，在毫米波頻段，半導(dǎo)體器件寄生參數(shù)將嚴(yán)重影響PA的功率、效率和線性度等指標(biāo)，因此要使用抵消、利用或減小寄生參數(shù)技術(shù)改善；b.高精度工藝器件建模，如果沒(méi)有器件模型或是模型的準(zhǔn)確度較差，則電路設(shè)計(jì)的難度將大大增加，耗費(fèi)的財(cái)力和人力將幾倍甚至幾百倍，開(kāi)發(fā)周期也會(huì)大大延長(zhǎng)；c.器件可靠性設(shè)計(jì)，由于高功率電路中晶體管自熱效應(yīng)使得內(nèi)部溫度急劇升高，導(dǎo)致GaN器件參數(shù)退化；d.芯片一體化封裝設(shè)計(jì)，利用并排或疊加的封裝方式，將多個(gè)不同功能有源芯片與無(wú)源器件實(shí)現(xiàn)一定功能的標(biāo)準(zhǔn)封裝。

4.全球GaN代工廠調(diào)研

近年來(lái)GaN器件市場(chǎng)異?；钴S，因?yàn)樗饾u成為主流并開(kāi)始滲透一些批量需求的商業(yè)市場(chǎng)，已經(jīng)在大部分高功率微波軍事應(yīng)用中占據(jù)強(qiáng)有力地位，并已占領(lǐng)一些民用基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)。針對(duì)GaN的代工廠分布，Microwave Journal調(diào)查結(jié)果表明[9]：北美有Wolfspeed、NRC，歐洲有BAE、Fraunhofer、UMS、OMMIC等，中國(guó)臺(tái)灣有穩(wěn)懋(WIN)中國(guó)大陸有成都海威華芯（HiWafer）和廈門(mén)三安（SANAN）提供代工服務(wù)。盡管日本的射頻GaN市場(chǎng)占有率高，但沒(méi)有任何日本公司提供代工。美國(guó)的大多數(shù)客戶(hù)選擇Wolfspeed，而很多歐洲的航天航空和防務(wù)領(lǐng)域的企業(yè)，通常都會(huì)選擇UMS或者OMMIC。某些公司與特定的制造廠有戰(zhàn)略合作，其專(zhuān)有的工藝不向其它公司開(kāi)放。例如美國(guó)GCS公司受ITAR（國(guó)際武器貿(mào)易條例）控制的公司，類(lèi)似的美國(guó)公司還有Raytheon、MACOM和Qorvo。

5.高功率微波GaN技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外高功率微波GaN技術(shù)正處在一個(gè)快速發(fā)展并將逐步走向應(yīng)用的重要時(shí)期，對(duì)現(xiàn)有公開(kāi)的技術(shù)資料進(jìn)行綜合分析可以看出未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)包括：a.高功率高效率改進(jìn)，包括基于金剛石襯底提高散熱能力和最大功率密度，采用新型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)改善晶體管電流崩塌效應(yīng)提高輸出功率，采用堆疊結(jié)構(gòu)提高功放電路電壓擺幅和輸出功率；b. 高頻太赫茲突破，包括等比例縮小技術(shù)提升特征頻率克服擊穿電壓降低、短溝道效應(yīng)、漏延遲、寄生RC延遲惡化等，ED技術(shù)用于克服等比例縮小技術(shù)的一些限制；c. 單片集成ED模式，包括實(shí)現(xiàn)縱向縮小、低阻接觸、可制造自對(duì)準(zhǔn)柵等；d. 更高集成度增強(qiáng)技術(shù)，ED工藝技術(shù)及支持片上系統(tǒng)SoC技術(shù)等。

6.結(jié)論

高功率GaN器件是近年來(lái)運(yùn)用民用微波系統(tǒng)的核心技術(shù)。由于目前雷達(dá)、通信、武器研制、電子對(duì)抗，民用通信系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)Ω吖β饰⒉℅aN器件有著廣闊的需求，而現(xiàn)有關(guān)鍵核心設(shè)計(jì)技術(shù)集中在國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)中。因此開(kāi)展高功率微波GaN器件的研發(fā)可滿(mǎn)足關(guān)鍵平臺(tái)的海量需求，形成規(guī)模效益，突破國(guó)外廠商的技術(shù)壟斷，從而增強(qiáng)我國(guó)國(guó)力。

[1]鄔海峰.功率晶體管建模及射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)[博士學(xué)位論文].天津:天津大學(xué),2015.

[2]Y.F.Wu,et al.,40 W/mm double field-plated GaN HEMTs,Pro.of the 64th Device Research Conf.,Pennsylvania State,USA,2006:151-152．

[3]M. Micovic,et al.,GaN HFET for W-band power applications,in Proc.of IEEE IED,San Francisco,USA,2006:1-3．

[4]Y.Z.Yue,et al.,InAlN/AlN/GaN HEMTs with regrown Ohmic contacts and fT of 370 GHz,IEEE Electron Device Letters,2012,33(7):988-990．

[5]K.Shinohara,et al.,Self-aligned-gate GaN-HEMTs with heavily-doped n+-GaN Ohmic contacts to 2DEG,in Proc.of IEEE IED,2012:617-620．