微波氮化鎵肖特基二極管及其應(yīng)用*

李秋璇，李楊，王霄，陳治偉，敖金平

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

1 引言

肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）憑借其功耗低、速度快、截止頻率高和易集成等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于微波、毫米波及太赫茲領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)整流、頻率變換（如倍頻）等功能。常見(jiàn)的SBD主要基于硅（Si）和砷化鎵（GaAs）材料。其中，Si作為較早投入使用的第一代半導(dǎo)體材料，技術(shù)成熟且成本較低，應(yīng)用最為廣泛。然而，Si材料擊穿電場(chǎng)較小，禁帶寬度和電子遷移率較低，使得Si基器件的頻率和功率難以提高。與Si相比，第二代半導(dǎo)體材料GaAs具有更高的電子遷移率，但其較低的禁帶寬度也使其應(yīng)用受到限制，難以滿足微波、毫米波頻率器件對(duì)功率的要求。以GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，因其更高的禁帶寬度、擊穿電場(chǎng)和遷移率，被認(rèn)為是制造微波、毫米波甚至太赫茲頻率器件的最佳材料。

基于GaN的SBD可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓、高開(kāi)關(guān)頻率、大電流和低導(dǎo)通電阻，進(jìn)而大幅降低微波、毫米波頻率下的器件損耗，是實(shí)現(xiàn)微波、毫米波系統(tǒng)低功耗、高功率、高可靠性的關(guān)鍵[1]。工作在微波、毫米波頻率的GaN SBD主要采用2種結(jié)構(gòu)，基于二維電子氣（2DEG）的橫向AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和基于GaN體材料的準(zhǔn)垂直/垂直結(jié)構(gòu)。前者利用2DEG的高導(dǎo)電性、高電子濃度和高遷移率，實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)速度、小結(jié)電容、高截止頻率和低導(dǎo)通電阻。然而，橫向GaN SBD的動(dòng)態(tài)電阻難以控制，可靠性較差。后者基于同質(zhì)或異質(zhì)外延襯底，理論上擁有更好的外延質(zhì)量，使SBD具有更強(qiáng)的電流處理能力、更高的擊穿電壓和更高的芯片面積利用率[2]，但是存在反向漏電較高等問(wèn)題。

本文主要探討了近年來(lái)提升微波GaN SBD性能的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法，并結(jié)合整流器和倍頻器等應(yīng)用電路，對(duì)GaN SBD未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

2 GaN SBD的設(shè)計(jì)與制造

不同于工作頻率較低的功率GaN SBD，較高的工作頻率往往需要器件同時(shí)滿足低開(kāi)啟電壓VON、高擊穿電壓VBR和低導(dǎo)通電阻RON等指標(biāo)。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法以改善器件相關(guān)指標(biāo)，進(jìn)而提升器件的綜合性能。

2.1 開(kāi)啟電壓

導(dǎo)通狀態(tài)下，由于GaN材料的寬禁帶特性，GaN SBD會(huì)表現(xiàn)出不符合預(yù)期的高開(kāi)啟電壓，較高的VON會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的導(dǎo)通損耗，影響電路的工作效率。為改善這一問(wèn)題，當(dāng)前主要在GaN SBD中引入結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)，如凹槽陽(yáng)極、混合陽(yáng)極等，搭配功函數(shù)合適的金屬，在不過(guò)多犧牲擊穿電壓的情況下降低VON。

2.1.1 凹槽陽(yáng)極

通過(guò)刻蝕陽(yáng)極下方的AlGaN勢(shì)壘層形成凹槽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極金屬側(cè)壁與2DEG的直接接觸[3]，在此基礎(chǔ)上，選擇低功函數(shù)金屬（如W、Mo等）作為陽(yáng)極金屬，可以顯著降低GaN SBD的VON。

臺(tái)灣清華大學(xué)TSOU等[4]在Si襯底上采用干法刻蝕技術(shù)制備了帶有凹槽陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN SBD，其結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。當(dāng)凹槽深度為50 nm時(shí)，VON低至0.73 V。相比干法刻蝕，濕法刻蝕能夠減少GaN表面的刻蝕損傷，臺(tái)灣萬(wàn)能科技大學(xué)HSUEH等[5]采用微波等離子體氧化和濕法刻蝕技術(shù)制備的凹槽陽(yáng)極AlGaN/GaN SBD如圖1（b）所示，其將VON降低至0.40 V，改善了器件的開(kāi)啟特性。

在凹槽陽(yáng)極的基礎(chǔ)上，采用低功函數(shù)金屬作為金屬陽(yáng)極，進(jìn)一步改善開(kāi)啟電壓。西安電子科技大學(xué)ZHANG等[6]提出了一種以W為陽(yáng)極金屬、采用凹槽陽(yáng)極結(jié)構(gòu)制備的橫向GaN SBD，其結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示，LAC為陰極-陽(yáng)極的距離。W的功函數(shù)約為4.6 eV，比常用陽(yáng)極金屬鎳（Ni）約低0.5 eV。組合凹槽陽(yáng)極與W陽(yáng)極，實(shí)現(xiàn)了低至0.35 V的高均勻VON。

圖1 具有凹槽陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的GaN SBD

盡管采用凹槽陽(yáng)極結(jié)構(gòu)可以有效降低GaN SBD的VON，但是控制凹槽的刻蝕深度仍是技術(shù)難點(diǎn)[3]。研究表明，凹槽深度的增加會(huì)導(dǎo)致漏電流的增大和擊穿電壓的降低[7]，因此，精確控制凹槽的刻蝕深度尤為重要，否則可能?chē)?yán)重影響器件的性能。

2.1.2 混合陽(yáng)極

混合陽(yáng)極由肖特基接觸與歐姆接觸或低功函數(shù)金屬與高功函數(shù)金屬組合而成，該組合結(jié)構(gòu)可以有效降低二極管的等效勢(shì)壘厚度，從而優(yōu)化開(kāi)啟電壓。

韓國(guó)弘益大學(xué)LEE等[8]組合凹槽肖特基柵與混合陽(yáng)極制備了一種新型AlGaN/GaN SBD，其結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，該陽(yáng)極由歐姆接觸與肖特基接觸組合而成。正偏時(shí)，得益于歐姆接觸，其VON非常小，在LAC為18μm時(shí)，VON低至0.37 V。反偏時(shí)，利用肖特基接觸和凹槽刻蝕技術(shù)將陽(yáng)極部分的AlGaN勢(shì)壘層厚度降低至4.89 nm，導(dǎo)致2DEG通道夾斷，從而在降低VON的同時(shí)保持了較高的VBR，凹槽區(qū)域圖像如圖2（b）所示。

對(duì)于低功函數(shù)金屬與高功函數(shù)金屬組合而成的混合陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，其勢(shì)壘高度通常大于肖特基接觸與歐姆接觸組合而成的混合陽(yáng)極。臺(tái)灣清華大學(xué)CHANG等[9]采用低功函數(shù)金屬Ti和高功函數(shù)金屬Ni組合成混合陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，在Si襯底上制備了AlGaN/GaN SBD。與單金屬陽(yáng)極Ni SBD和Ti SBD相比，該雙金屬混合陽(yáng)極SBD具有更優(yōu)異的性能，不僅實(shí)現(xiàn)了低至0.57 V的VON，而且降低了反向漏電流，有效平衡了該器件的正反向特性。相比Ti和Ni，氮化鈦（TiN）和氮化鎳（NiN）具有更好的熱穩(wěn)定性，適合作為GaN SBD的陽(yáng)極材料。西安電子科技大學(xué)WANG等[10]組合低功函數(shù)的TiN和高功函數(shù)的NiN，提出了一種具有凹槽雙金屬氮化物陽(yáng)極的AlGaN/GaN SBD，其結(jié)構(gòu)如圖2（c）所示。凹槽TiN陽(yáng)極與2DEG直接接觸，降低了肖特基勢(shì)壘厚度，實(shí)現(xiàn)了低至0.30 V的VON。

圖2 具有混合陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的GaN SBD

2.1.3 低功函數(shù)陽(yáng)極

采用低功函數(shù)金屬或低功函數(shù)金屬氮化物作為陽(yáng)極材料，能夠降低肖特基勢(shì)壘高度，有效改善VON。西安電子科技大學(xué)LI等[11]以低功函數(shù)TiN為陽(yáng)極，制備了一種多指型準(zhǔn)垂直GaN SBD。沉積TiN/Ni/Au（30 nm/70 nm/30 nm）層作為陽(yáng)極，降低SBD的肖特基勢(shì)壘高度至0.54 eV，實(shí)現(xiàn)了0.51 V的低內(nèi)建電勢(shì)。此外，比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）LENCI等[12]沉積了無(wú)Au的TiN/Ti/Al/Ti/TiN（20 nm/20 nm/250 nm/20 nm/60 nm）層作為AlGaN/GaN SBD的陽(yáng)極，實(shí)現(xiàn)了0.41 V的低VON。

2.2 擊穿電壓

GaN SBD的結(jié)邊電場(chǎng)擁擠和肖特基勢(shì)壘高度較低會(huì)導(dǎo)致器件的過(guò)早擊穿。目前，單獨(dú)討論射頻GaN SBD擊穿特性的研究較少，相關(guān)研究人員主要針對(duì)功率GaN SBD提出了一系列改善器件擊穿特性的方案，例如使用邊緣終端技術(shù)和p-GaN/p-AlGaN層等，這些方案對(duì)于提高射頻器件的擊穿電壓也有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值。

2.2.1 終端技術(shù)

場(chǎng)板（FP）技術(shù)是終端技術(shù)的一種，可以調(diào)節(jié)邊緣電場(chǎng)分布，防止電場(chǎng)集中在電極邊緣引起的過(guò)早擊穿問(wèn)題，顯著提高了器件的耐壓能力。日本住友電氣工業(yè)株式會(huì)社SAITOH等[13]在低位錯(cuò)密度的獨(dú)立GaN襯底上制備了垂直GaN SBD，帶SiNx層場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的垂直GaN SBD如圖3（a）所示。通過(guò)優(yōu)化n-GaN漂移層的生長(zhǎng)條件以及制作SiNx層場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，VBR超過(guò)1100 V。

為了進(jìn)一步提高擊穿電壓，圣母大學(xué)ZHU等[14]分別以SiNx和SiO2為第一、二場(chǎng)板的介質(zhì)，提出了一種具有雙場(chǎng)板結(jié)構(gòu)和凹槽陽(yáng)極的AlGaN/GaN SBD，其結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。雙場(chǎng)板結(jié)構(gòu)能夠顯著減小峰值電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)比單場(chǎng)板結(jié)構(gòu)SBD更大的VBR。當(dāng)LAC為25μm時(shí)，VBR大于1.9 kV。

隨著對(duì)器件結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，2017年，MA和MATIOLI在三陽(yáng)極AlGaN/GaN SBD上集成了三柵晶體管[15]，其結(jié)構(gòu)如圖3（c）所示。三柵極結(jié)構(gòu)改善了器件的反向阻斷能力，在反向偏置為500 V和700 V時(shí)分別實(shí)現(xiàn)低于10 nA/mm和100 nA/mm的反向漏電流IR，并在IR=1μA/mm時(shí)得到高達(dá)1325 V的VBR。

圖3 具有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的GaN SBD

降低場(chǎng)板結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)等效厚度到一定程度，即得到柵控邊緣終端結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅能夠改善器件的擊穿特性，而且能有效抑制漏電流，顯著提高器件的反向阻斷能力。IMEC的HU等[16]研究了外邊緣終端肖特基二極管（EET-SBD）和柵控邊緣終端肖特基二極管（GET-SBD）以及有、無(wú)凹槽陽(yáng)極對(duì)器件的影響，邊緣終端AlGaN/GaN/GaN-on-Si SBD如圖4所示。結(jié)果表明，凹槽GET-SBD具有超過(guò)600 V的VBR和最低的IR，在反向偏置電壓為600 V時(shí)，IR為1μA/mm。2016年，該團(tuán)隊(duì)以TiN作為陽(yáng)極金屬，采用原子層刻蝕（ALE）工藝對(duì)該器件的凹槽陽(yáng)極進(jìn)行研究[17]。研究表明，GET區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)更好的靜電控制以?shī)A斷溝道，強(qiáng)烈抑制反向漏電流，經(jīng)6次ALE循環(huán)后，GET-SBD的中位漏電流低至1 nA/mm。

圖4 邊緣終端AlGaN/GaN-on-Si SBD

除了以上2種結(jié)構(gòu)，離子注入終端技術(shù)在提高擊穿電壓方面也發(fā)揮著重要作用。浙江大學(xué)HAN等[18]采用平面氮化終端（NT）技術(shù)制備了垂直GaN-on-GaN SBD。NT技術(shù)可以改善GaN的表面狀態(tài)，擊穿電壓從335 V提高至995 V，反向漏電流減少至原來(lái)的1/104。

但需要注意的是，終端結(jié)構(gòu)的加入會(huì)導(dǎo)致二極管的寄生電容增加，從而影響其微波、毫米波特性。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)不同的使用環(huán)境對(duì)終端結(jié)構(gòu)的形貌和材料進(jìn)行調(diào)整，以同時(shí)兼顧器件的頻率和擊穿特性。2.2.2 p-GaN/p-AlGaN層

在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)p-GaN或p-AlGaN層，調(diào)整沿2DEG通道從陽(yáng)極到陰極的電場(chǎng)分布，使得電場(chǎng)分布均勻，峰值電場(chǎng)得到抑制，進(jìn)而顯著提高擊穿電壓。

臺(tái)灣萬(wàn)能科技大學(xué)HSUEH等[19]結(jié)合雙陽(yáng)極金屬和p-GaN層制備了一種高性能的AlGaN/GaN SBD，其結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，與標(biāo)準(zhǔn)器件相比，該SBD具有更低的VON和更高的VBR。當(dāng)p-GaN層的長(zhǎng)度LG=3μm時(shí)，VON為0.1 V，VBR為606 V。當(dāng)LG分別為5μm和8μm時(shí)，VBR分別為679 V和713 V。由此可見(jiàn)，LG的增加可以有效改善擊穿電壓。

西安電子科技大學(xué)WANG等[20]提出了一種提高橫向GaN SBD性能的新設(shè)計(jì)思路。該團(tuán)隊(duì)基于p-GaN/AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)了一種陣列p-GaN島終端橫向肖特基二極管（API-SBD）。與常規(guī)的凹槽陽(yáng)極肖特基二極管相比，API-SBD的反向漏電流更低，在100 V的反向偏置下，IR為10 nA/mm。p-GaN層的引入提高了API-SBD的擊穿電壓，當(dāng)IR=1μA/mm時(shí)，VBR為1070 V。西安電子科技大學(xué)ZHENG等[21]提出了一種具有部分p-AlGaN帽層（PPCL）和凹槽雙金屬陽(yáng)極（RDA）的AlGaN/GaN SBD（PC-RDA-SBD），其結(jié)構(gòu)如圖5（b）所示。PPCL的空穴濃度為5×1017cm-3時(shí)，該p帽層引起2DEG通道中載流子的損耗，大大降低了反向漏電流。在此基礎(chǔ)上，由于電場(chǎng)分布均勻，反向偏置在器件中水平分配，VBR顯著提高，最高達(dá)2461 V。

圖5 具有p-GaN或p-AlGaN層的GaN SBD

2.3 導(dǎo)通電阻

降低導(dǎo)通電阻可以提高GaN SBD的截止頻率，對(duì)提高整流器的射頻/直流轉(zhuǎn)換效率尤為重要。當(dāng)前主要采用優(yōu)化陽(yáng)極結(jié)構(gòu)和優(yōu)化歐姆接觸等方案，實(shí)現(xiàn)較小的導(dǎo)通電阻。

2.3.1 優(yōu)化陽(yáng)極結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮邊緣效應(yīng)，即電流密度在陽(yáng)極邊緣處最大，在中心處相對(duì)較低，因此，優(yōu)化陽(yáng)極形狀可以改善GaN SBD的導(dǎo)通電阻。AN等[22]在陽(yáng)極面積恒定的前提下，對(duì)比矩形陽(yáng)極和圓形陽(yáng)極，發(fā)現(xiàn)矩形陽(yáng)極GaN SBD具有更小的導(dǎo)通電阻和更高的截止頻率。當(dāng)陽(yáng)極面積為40 m2時(shí)，該SBD的RON為42.5Ω。日本德島大學(xué)FUKUI等[23]制備了一種具有T型陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的GaN SBD，其結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示。采用T型陽(yáng)極結(jié)構(gòu)和改進(jìn)外延層設(shè)計(jì)，降低了導(dǎo)通電阻RON和關(guān)斷電容COFF，使得時(shí)間常數(shù)（RON×COFF）從2.72 ps降至0.79 ps。但是，該SBD的反向阻斷特性惡化，VBR從108 V降至50 V。

EBLABLA等[24]在低電阻率Si襯底上設(shè)計(jì)了一種多溝道射頻橫向AlGaN/GaN SBD，該結(jié)構(gòu)如圖6（b）（c）所示，組合多臺(tái)面和T型結(jié)構(gòu)作為陽(yáng)極，使得肖特基陽(yáng)極與多臺(tái)面?zhèn)缺谔幍?DEG直接接觸，降低了肖特基勢(shì)壘高度和陽(yáng)極電阻率，與傳統(tǒng)的SBD相比，顯著改善了開(kāi)啟特性和截止頻率，VON從1.34 V降至0.84 V，RON從1.52Ω·mm降至0.97Ω·mm，截止頻率高達(dá)0.6 THz。

圖6 陽(yáng)極結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化的GaN SBD

此外，增加陽(yáng)極面積可以有效降低RON，減小通態(tài)損耗，但會(huì)相應(yīng)地增加耗盡電容，導(dǎo)致更高的關(guān)態(tài)損耗。因此，需要找到一個(gè)使得總損耗最小的最佳陽(yáng)極面積。為此，OHNO等[25]在T型陽(yáng)極的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種直徑為4 m的點(diǎn)狀陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，陽(yáng)極通過(guò)空氣橋連接到焊盤(pán)上，避免寄生電容的影響，該單點(diǎn)狀陽(yáng)極GaNSBD的RON為30Ω，耗盡電容為0.03 pF。

2.3.2 優(yōu)化歐姆接觸

優(yōu)化歐姆接觸有利于獲得較低的導(dǎo)通電阻。2017年，AN等[26]以Ti/Al/Ni/Au（20 nm/130 nm/50 nm/150 nm）作為GaN SBD歐姆接觸的金屬疊層，實(shí)現(xiàn)了0.15Ω·mm的歐姆接觸電阻，與采用Ti/Al/Ti/Au（20 nm/60 nm/50 nm/70 nm）的金屬疊層相比，歐姆接觸電阻降低了約40%。同時(shí)，采用HCI+HF溶液代替BOE溶液對(duì)n+-GaN表面進(jìn)行化學(xué)處理，可以實(shí)現(xiàn)更好的歐姆接觸。優(yōu)化歐姆接觸的GaN SBD如圖7所示，當(dāng)陽(yáng)極直徑為7μm時(shí)，導(dǎo)通電阻為70.5Ω，截止頻率為627 GHz。同年，SHEIKHI等[27]在N極性GaN上制作歐姆接觸，在Ga極性GaN上制作肖特基接觸，設(shè)計(jì)了一種橫向極性結(jié)構(gòu)GaN SBD。由于N極性區(qū)具有高載流子濃度和高導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)了低電阻的歐姆接觸，獲得了低至77 mΩ·cm2的導(dǎo)通電阻，然而，該結(jié)構(gòu)的反向漏電流相對(duì)較高。

圖7 優(yōu)化歐姆接觸的GaN SBD

3 GaN SBD在微波、毫米波領(lǐng)域的應(yīng)用

GaN SBD廣泛應(yīng)用于微波、毫米波領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)整流和倍頻等功能。研究人員利用GaN SBD的優(yōu)異特性，采用以上優(yōu)化開(kāi)啟電壓、擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了多種具有較高轉(zhuǎn)換效率的微波整流器和毫米波倍頻器。

3.1 基于GaN SBD的微波整流器

無(wú)線電力傳輸（WPT）系統(tǒng)分為3個(gè)部分：直流/射頻轉(zhuǎn)換、微波傳輸和射頻/直流轉(zhuǎn)換。其中，射頻/直流轉(zhuǎn)換由整流電路完成，整流電路中的肖特基二極管是決定WPT系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。UENO等[28]對(duì)GaN SBD整流器和SiC SBD整流器進(jìn)行了對(duì)比研究，在高質(zhì)量低位錯(cuò)密度的獨(dú)立GaN襯底上制備了垂直GaN SBD，其結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示，該SBD具有優(yōu)越的反向恢復(fù)特性，在30 MHz的整流操作中，損耗值為3.8%，比SiC SBD 5.5%～9.0%的損耗值降低了30%。

2010年，德島大學(xué)AO等[29]在半絕緣SiC襯底上制備了一種用于微波整流的GaN SBD，其結(jié)構(gòu)如圖8（b）所示，使用的SiC襯底使得該SBD具有良好的導(dǎo)熱性和較小的寄生電容，在零偏壓下，VBR為90 V，RON為8.2Ω，耗盡電容為0.36 pF；采用10指二極管的整流電路，在輸入功率為5 W、頻率為2.45 GHz時(shí)，射頻/直流轉(zhuǎn)換效率達(dá)74.4%。

此外，LI等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w環(huán)境中，通過(guò)某些金屬的反應(yīng)濺射可以在GaN上獲得良好的整流特性。依據(jù)此原理，該團(tuán)隊(duì)在2014年制備了一種以反應(yīng)濺射TiN為肖特基電極的微波整流GaN SBD，其結(jié)構(gòu)如圖8（c）所示，在保持較為理想的導(dǎo)通電阻、反向漏電流和擊穿電壓的前提下，使得開(kāi)啟電壓從1.0 V降至0.5 V，相應(yīng)地，基于該SBD的2.45 GHz整流電路的整流效率從84%提高至89%。

2019年，KISHIKAWA等[31]結(jié)合GaN SBD和Si匹配電路的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種應(yīng)用于全無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、基于混合半導(dǎo)體集成電路（HySIC）的整流器，其結(jié)構(gòu)如圖8（d）所示，其在頻率為5.8 GHz、負(fù)載為150Ω時(shí)，射頻/直流轉(zhuǎn)換效率為10.3%。該團(tuán)隊(duì)利用此HySIC整流器在距離為0.2 m、頻率為5.8 GHz的條件下進(jìn)行了微波無(wú)線電力傳輸實(shí)驗(yàn)，然而，受到發(fā)射天線、接收天線、電纜和空間等因素的影響，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率僅為0.014%。

2020年，JOSEPH等[32]提出了一種用于大功率無(wú)線電力傳輸?shù)幕跈M向GaN SBD的微波整流器，其結(jié)構(gòu)如圖8（e）所示。采用板上芯片技術(shù)和低損耗阻抗匹配的方法，該整流器可承受高達(dá)39 dBm的輸入功率，在此高輸入功率下，最高效率達(dá)到61.2%，結(jié)果如圖8（f）所示。

西安電子科技大學(xué)DANG等[33]設(shè)計(jì)了一種LPCVD SiN鈍化的橫向GaN SBD，該SBD以低功函數(shù)金屬為陽(yáng)極，同時(shí)增強(qiáng)陽(yáng)極表面的鈍化，實(shí)現(xiàn)了0.38 V的低開(kāi)啟電壓，4.5Ω的低導(dǎo)通電阻，164 V的高擊穿電壓和0.32 pF的低結(jié)電容。將該高性能GaN SBD集成到設(shè)計(jì)良好的5.8 GHz整流電路中，其結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換效率如圖8（g）（h）所示，在單二極管輸入功率為2.5 W和6.4 W時(shí)，射頻/直流的轉(zhuǎn)換效率分別為71%±4.5%和50%±4.5%，實(shí)現(xiàn)了高效率與高功率的結(jié)合。

西安電子科技大學(xué)LI等[11]設(shè)計(jì)了一種基于GaN SBD的2.45 GHz微波整流器，該GaN SBD采用場(chǎng)板結(jié)構(gòu)和多指式陽(yáng)極布局，顯著降低了串聯(lián)電阻和開(kāi)啟電壓，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)恒定的結(jié)電容?；诖薙BD的整流器如圖8（i）所示，其最大功率為1.91 W，效率為78.5%。在不使用任何帶寬擴(kuò)展電路的情況下，該整流器的高效率輸入功率范圍（效率不小于70%和不小于75%）擴(kuò)展到14 dB和10.8 dB，有望加快GaN SBD在微波整流領(lǐng)域的市場(chǎng)化進(jìn)程。該團(tuán)隊(duì)在2021年專門(mén)設(shè)計(jì)了一種低成本的商用級(jí)準(zhǔn)垂直GaN SBD，在928 MHz下實(shí)現(xiàn)高效微波整流[34]，最大整流效率高于85%，功率容量超過(guò)31 dBm。

圖8 基于GaN SBD的微波整流器

3.2 基于GaNSBD的毫米波倍頻器

倍頻器能夠完成輸入信號(hào)頻率的倍增，提高調(diào)頻調(diào)制的靈敏度和電路工作的穩(wěn)定性，產(chǎn)生更穩(wěn)定、相位噪聲更低和頻段更寬的信號(hào)。肖特基勢(shì)壘二極管是構(gòu)成毫米波和太赫茲域倍頻器的關(guān)鍵器件。目前的倍頻器多采用GaAs SBD，但是其損耗大、功率處理能力低、最大輸入功率低，難以滿足大功率電子器件實(shí)際應(yīng)用的要求。GaN具有更寬的帶隙和更高的擊穿電壓，在毫米波和太赫茲域應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的大功率特性。GaN SBD的功率處理能力遠(yuǎn)高于GaAs SBD，但是，GaN材料的載流子遷移率較低且大功率工作時(shí)散熱較差，導(dǎo)致GaN SBD倍頻器的轉(zhuǎn)換效率較低，限制了GaN SBD倍頻器更進(jìn)一步的發(fā)展。研究表明，采用降低二極管的串聯(lián)電阻、提高腔體加工精度和減少裝配誤差等方法，可以提高倍頻器的轉(zhuǎn)換效率[35]。

2019年，電子科技大學(xué)ZHANG等[35]基于一對(duì)反向并聯(lián)GaN SBD鏈設(shè)計(jì)了太赫茲三倍頻器。該SBD采用空氣橋結(jié)構(gòu)，有效降低了寄生電容，在零偏置、頻率為220 GHz時(shí)，GaN SBD的總電容為8.3 fF，串聯(lián)電阻為27Ω。通過(guò)控制GaN SBD鏈在金屬膜片上的位置，可以實(shí)現(xiàn)該三倍頻器的最高輸出功率。實(shí)驗(yàn)表明，該器件可以在瓦特級(jí)輸入功率下工作，最大輸入功率達(dá)1.1 W。在輸入功率為900 mW、頻率為219.5 GHz時(shí)，其輸出功率為17.5 mW，最佳效率為1.93%，基于平面GaN SBD的太赫茲三倍頻器如圖9所示，該器件在太赫茲頻率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖9 基于平面GaN SBD的太赫茲三倍頻器

2020年，河北半導(dǎo)體研究所LIANG等[36]設(shè)計(jì)了一種基于GaN SBD的平衡結(jié)構(gòu)倍頻器。為獲得盡可能高的器件截止頻率，在該SBD的制作過(guò)程中省略了鈍化處理，避免產(chǎn)生額外的寄生電容，實(shí)現(xiàn)了0.63 V的開(kāi)啟電壓、15.4 V的擊穿電壓和零偏置下459 GHz的截止頻率?；诖薙BD的倍頻器在177～183 GHz時(shí)的輸出功率高于同類(lèi)GaAs電路。當(dāng)輸入功率為2 W時(shí)，輸出功率為200～244 mW，輸出效率為9.5%～11.8%。卡迪夫大學(xué)ALATHBAH等[37]以多通道橫向AlGaN/GaN SBD為電路中的非線性元件，設(shè)計(jì)了一種用于5G收發(fā)器的單端倍頻器，能夠產(chǎn)生輸入信號(hào)基頻倍數(shù)的諧波。該倍頻器在整個(gè)頻段（5～25 GHz）的轉(zhuǎn)換損耗約為15 dB，轉(zhuǎn)換效率保持在15%以上，在最優(yōu)輸入功率20 dBm下，轉(zhuǎn)換效率約為21%。然而，多通道結(jié)構(gòu)導(dǎo)致該倍頻器具有較高的結(jié)電容和串聯(lián)電阻，限制了其轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。

為了更進(jìn)一步提高GaN基倍頻器的最大輸出功率和效率，SONG等[38]采取了以下措施：提高GaN SBD的擊穿電壓；增加陽(yáng)極數(shù)量，優(yōu)化陽(yáng)極尺寸，提高功率處理能力；改進(jìn)二極管仿真模型，提升仿真和測(cè)試的一致性。在此基礎(chǔ)上，采用平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和倒裝結(jié)構(gòu)組裝，提出了一種基于GaN SBD的高脈沖輸出功率倍頻器，如圖10所示，當(dāng)輸入功率為7 W、頻率為216 GHz時(shí)，峰值輸出功率為1006 mW，效率為15%。當(dāng)輸入功率為2 W、頻率為215 GHz時(shí)，輸出功率為382 mW，峰值效率提高到20%。

圖10 基于GaN SBD的高脈沖輸出功率倍頻器

中國(guó)工程物理研究院AN等[39]設(shè)計(jì)制作了一種具有高功率處理能力的高效率D波段（110～170 GHz）單片集成GaN SBD倍頻器，其結(jié)構(gòu)如圖11（a）所示。采用8陽(yáng)極GaN單片集成電路技術(shù)，顯著提高了倍頻器的轉(zhuǎn)換效率，解決了混合集成電路寄生元件的問(wèn)題。該倍頻器的最大連續(xù)波輸入功率為0.5 W，在109～121 GHz頻段內(nèi)，其表現(xiàn)出了超過(guò)4.7%的寬帶高效特性；在115.6 GHz連續(xù)波驅(qū)動(dòng)下，該GaN SBD倍頻器峰值轉(zhuǎn)換效率高達(dá)17%，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波驅(qū)動(dòng)下的較高轉(zhuǎn)換效率，如圖11（b）（c）所示，該設(shè)計(jì)在高效大功率太赫茲倍頻應(yīng)用中具有實(shí)際優(yōu)勢(shì)。

圖11 具有高功率處理能力的高效率D波段（110～170 GHz）單片集成GaN SBD倍頻器

4 結(jié)束語(yǔ)

GaN SBD是實(shí)現(xiàn)微波、毫米波系統(tǒng)低功耗、高功率和高可靠性的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)GaN SBD的開(kāi)啟電壓、擊穿電壓和導(dǎo)通電阻等指標(biāo)提出了多種優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)了多種具有較好正反向特性的GaN SBD，將其應(yīng)用于整流器和倍頻器等電路，能夠獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，顯著提升系統(tǒng)的綜合性能。然而，當(dāng)前仍存在一些有待突破的問(wèn)題：一是制造GaN SBD的相關(guān)工藝有待改進(jìn)，例如，提高刻蝕凹槽的工藝精度、改善肖特基金屬材料的制作工藝等；二是當(dāng)前技術(shù)較難獲得無(wú)缺陷的GaN晶體，導(dǎo)致垂直GaN SBD無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想的高頻性能，限制了倍頻器電路的發(fā)展；三是受到天線、電纜和空間等因素的限制，基于GaN SBD微波整流器的WPT系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率難以提升。未來(lái)，業(yè)界有望通過(guò)創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化濺射條件等方法改善上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)GaN SBD在相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。