微波功率器件及其材料的发展和应用前景
时间：02-18
来源：《材料导报》
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2 MESFET功率微波器件的特性及设计要点
2.1 材料的选取及特性
在上个世纪70年代后期，GaAs单晶及外延技术获得突破，GaAs肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET)得以成功制成。GaAs材料的电子迁移率比Si的高7倍，且漂移速度快，所以GaAs比Si具有更好的高频特性，并具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高等特点，而且GaAs是直接带隙，禁带宽度大，因而器件的抗电磁辐射能力强，工作温度范围宽，更适合在恶劣的环境下工作。由于GaAs器件具有以上优点，GaAs MESFET已几乎占领了微波应用的各个领域。
20世纪90年代中后期对于SiC材料的研究表明，它的性能指标比GaAs器件还要高一个数量级。SiC具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度(4H-SiC，3.2eV)，高的饱和电子漂移速率(2×107cm/s)，高的击穿强度(4×106V/cm)，低的介电常数和高的热导率(4.9W/cm·k)。上述这些优异的物理特性，决定了SiC在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比Si低200倍。其功率密度是Si和GaAs的3～4倍，热导性能是Si的3倍，是GaAs的10倍。用SiC材料制造的MESFET的射频(RF)功率密度达到4.6W/mm，功率效率(PAE)达到65.7％，击穿电压超过100V，SiC的型体非常多，在半导体应用时4H-SiC和6H-SiC由于单晶生长工艺的成熟以及较好的重复性而应用较广，目前已商品化，尺寸也由25mm增大到50mm，75mm的晶元也有样品展出，产品目前主要来自于美国的Cree公司。
2.2 器件的设计
SiC器件由于过去缺乏高质量的大SiC衬底而受到限制，体SiC的最大缺陷是微管 (材料中0.5～lμm直径的空洞)。Cree公司在这方面取得了大的进展，制造出4H-SiC晶片微管密度<lcm-2。并已报道SiC MESFET已达到fmax=50GHz，功率密度为4.6W/mm。而目前最大功率SiC器件已由Cree公司研制出，其工作频率在3.1GHz时功率为80W，PAE为31％，栅长0.7μm，栅宽48mm，工作电压58V(fT=9GHz，fmax=20GHz)。其设计目前已可采用多指栅，由于器件有超过2个的栅，因此需要空中桥 (air bridge)，Chalmers大学报道了一种制造空中桥的多指栅高功率SiC MESFET 工艺，空中桥是用纯金形成，器件是建立在Cree公司半绝缘4H-SiC的3层同质外延结构，从上到下的层结构为0.15μmN型覆盖层(ND=1×1019cm3)，0.5μmN型沟道层(ND=1×1017cm3)和0.5μm的P型缓冲层(NA=5 ×1015cm3)，栅下沟道厚度是0.35μm，栅长0.5μm，栅源间隙0.5μm，栅漏间隙为1.0μm，栅接触由多层金属结构(Ti／Pt／Au)构成。栅的肖特基势垒高度为0.9eV，其直流跨导和饱和电流Idss分别为30ms/mm和220mA/mm，fmax为39GHz。
由于MESFET最大功率增益由下式[2]表示：
是栅源间沟道电阻，RS、RG分别为源、漏集总电阻，ls源引线电感，RGS是栅源电阻，Cdg是漏栅电容。效率定义为射频输出功率PO和直流功率PD之比，即?=P0/PD。为了获得大的输出功率，主要是增大漏源电流和提高漏极的偏置电压，亦即提高漏源击穿电压，提高功率增益则要求提高截止频率fT，减小各项寄生参数。
通过以上资料及数据不难看出， 功率微波MESFET要求在更高的微波频率下输出尽可能大的功率，以达到大的功率增益和高的效率，因此必须对其结构及工艺上进行研究：
(1)采用多层同质外延结构，即SI-SiC/n-/n/n+或SI-GaAs/n-/n/n+4层结构，如图1所示，n-高阻缓冲层有利于提高击穿电压，n+层有利于RS、RD的减小，有源层厚度为0.3～0.5μm，掺杂浓度为1016～1017cm3。
(2)采用腐蚀凹栅结构，在栅下有源层腐蚀出0.1～0.15μm凹槽，在槽中再淀积栅极，当栅极加上足够反向栅偏压时，沟道区电压降增加，漏端电场相对减小以抑制高场筹雪崩现象发生，提高了击穿电压。
(3)增 加栅宽及栅源极总周长，平面图形采用梳状及网状结构，以增加沟道总截面，提高最大饱和漏电流。采用多栅条多单元并联工作，即将有源区分成若干个，适当增加 栅极压焊点，这样既可满足总栅宽，又能控制单个栅的宽度，还能降低栅馈电感和栅电阻。减小热阻以利散热，主要方法是减薄外延层厚度。
3 HEMT功率微波器件的特性及设计
HEMT被公认为微波／毫米波器件和电路领域中最有竞争力的三端器件，它不仅具有优异的低噪声特性，而且具有出色的功率性能。1969年IBM公司的L．Esaki和R．Tsu提出了"调制掺杂"概念，认为如将载流子在空间上与其母体的电离杂质分开，并使之局限在一极小的区域内(量子阱)作二维运动，由于量子阱中的载流子避免了与其母体杂质的散射，就能获得很高的迁移率。1978年，Bell实验室的R.Dingle首次报道了用MBE生长的调制掺杂异质结构，并证实了具有高密度、高迁移率的二维电子气(2DEG)的存在。1980年日本富士通公司研制出第一只HEMT，因其它具有超高速性能以及吸引人的功率密度而受到世人瞩目。且其短沟道效应很小，制造步骤少，性能均匀稳定。目前，由于HEMT器件研究和工艺的日趋成熟，在国外(美国、日本等)已有高性能的产品走向市场。
2.1 材料的选取及特性
在上个世纪70年代后期，GaAs单晶及外延技术获得突破，GaAs肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET)得以成功制成。GaAs材料的电子迁移率比Si的高7倍，且漂移速度快，所以GaAs比Si具有更好的高频特性，并具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高等特点，而且GaAs是直接带隙，禁带宽度大，因而器件的抗电磁辐射能力强，工作温度范围宽，更适合在恶劣的环境下工作。由于GaAs器件具有以上优点，GaAs MESFET已几乎占领了微波应用的各个领域。
20世纪90年代中后期对于SiC材料的研究表明，它的性能指标比GaAs器件还要高一个数量级。SiC具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度(4H-SiC，3.2eV)，高的饱和电子漂移速率(2×107cm/s)，高的击穿强度(4×106V/cm)，低的介电常数和高的热导率(4.9W/cm·k)。上述这些优异的物理特性，决定了SiC在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比Si低200倍。其功率密度是Si和GaAs的3～4倍，热导性能是Si的3倍，是GaAs的10倍。用SiC材料制造的MESFET的射频(RF)功率密度达到4.6W/mm，功率效率(PAE)达到65.7％，击穿电压超过100V，SiC的型体非常多，在半导体应用时4H-SiC和6H-SiC由于单晶生长工艺的成熟以及较好的重复性而应用较广，目前已商品化，尺寸也由25mm增大到50mm，75mm的晶元也有样品展出，产品目前主要来自于美国的Cree公司。
2.2 器件的设计
SiC器件由于过去缺乏高质量的大SiC衬底而受到限制，体SiC的最大缺陷是微管 (材料中0.5～lμm直径的空洞)。Cree公司在这方面取得了大的进展，制造出4H-SiC晶片微管密度<lcm-2。并已报道SiC MESFET已达到fmax=50GHz，功率密度为4.6W/mm。而目前最大功率SiC器件已由Cree公司研制出，其工作频率在3.1GHz时功率为80W，PAE为31％，栅长0.7μm，栅宽48mm，工作电压58V(fT=9GHz，fmax=20GHz)。其设计目前已可采用多指栅，由于器件有超过2个的栅，因此需要空中桥 (air bridge)，Chalmers大学报道了一种制造空中桥的多指栅高功率SiC MESFET 工艺，空中桥是用纯金形成，器件是建立在Cree公司半绝缘4H-SiC的3层同质外延结构，从上到下的层结构为0.15μmN型覆盖层(ND=1×1019cm3)，0.5μmN型沟道层(ND=1×1017cm3)和0.5μm的P型缓冲层(NA=5 ×1015cm3)，栅下沟道厚度是0.35μm，栅长0.5μm，栅源间隙0.5μm，栅漏间隙为1.0μm，栅接触由多层金属结构(Ti／Pt／Au)构成。栅的肖特基势垒高度为0.9eV，其直流跨导和饱和电流Idss分别为30ms/mm和220mA/mm，fmax为39GHz。
由于MESFET最大功率增益由下式[2]表示：
是栅源间沟道电阻，RS、RG分别为源、漏集总电阻，ls源引线电感，RGS是栅源电阻，Cdg是漏栅电容。效率定义为射频输出功率PO和直流功率PD之比，即?=P0/PD。为了获得大的输出功率，主要是增大漏源电流和提高漏极的偏置电压，亦即提高漏源击穿电压，提高功率增益则要求提高截止频率fT，减小各项寄生参数。
通过以上资料及数据不难看出， 功率微波MESFET要求在更高的微波频率下输出尽可能大的功率，以达到大的功率增益和高的效率，因此必须对其结构及工艺上进行研究：
(1)采用多层同质外延结构，即SI-SiC/n-/n/n+或SI-GaAs/n-/n/n+4层结构，如图1所示，n-高阻缓冲层有利于提高击穿电压，n+层有利于RS、RD的减小，有源层厚度为0.3～0.5μm，掺杂浓度为1016～1017cm3。
(2)采用腐蚀凹栅结构，在栅下有源层腐蚀出0.1～0.15μm凹槽，在槽中再淀积栅极，当栅极加上足够反向栅偏压时，沟道区电压降增加，漏端电场相对减小以抑制高场筹雪崩现象发生，提高了击穿电压。
(3)增 加栅宽及栅源极总周长，平面图形采用梳状及网状结构，以增加沟道总截面，提高最大饱和漏电流。采用多栅条多单元并联工作，即将有源区分成若干个，适当增加 栅极压焊点，这样既可满足总栅宽，又能控制单个栅的宽度，还能降低栅馈电感和栅电阻。减小热阻以利散热，主要方法是减薄外延层厚度。
3 HEMT功率微波器件的特性及设计
HEMT被公认为微波／毫米波器件和电路领域中最有竞争力的三端器件，它不仅具有优异的低噪声特性，而且具有出色的功率性能。1969年IBM公司的L．Esaki和R．Tsu提出了"调制掺杂"概念，认为如将载流子在空间上与其母体的电离杂质分开，并使之局限在一极小的区域内(量子阱)作二维运动，由于量子阱中的载流子避免了与其母体杂质的散射，就能获得很高的迁移率。1978年，Bell实验室的R.Dingle首次报道了用MBE生长的调制掺杂异质结构，并证实了具有高密度、高迁移率的二维电子气(2DEG)的存在。1980年日本富士通公司研制出第一只HEMT，因其它具有超高速性能以及吸引人的功率密度而受到世人瞩目。且其短沟道效应很小，制造步骤少，性能均匀稳定。目前，由于HEMT器件研究和工艺的日趋成熟，在国外(美国、日本等)已有高性能的产品走向市场。