基于氮化镓(GaN)的射频功率器件和放大器.docx

基于氮化镜(GaN)的射频功率器件和放大器目录1.前言12 .介绍23 .GaN的外延层生长34 .先进的器件设计和处理技术54.1.概述54.2.场镀(FieId-Plated)GaNHEMT64.3.深腔(Deep-Recessed)GaNHEMT104.4.金属氧化物半导体HEMT(MOSHEMT)134.5.用于毫米波应用的GaNHEMT的工艺和器件技术174.6.GaNHEMTS器件的线性224. 7.可靠性和制造方面的挑战265.氮化钱GaN彻底放飞射频功率放大器275. 1.概述275. 2.半导体技术285. 3.设计注意事项295. 4.Lange耦合器305. 5.分布式放大器305. 6.结果315. 7.今天的产品能力325. 8.概括336 .应用337 .结论361 .前言氮化钱功率晶体管可以在毫米波及更高波长下工作，以满足手机，卫星和电视广播的未来应用需求。射频功率电子器件的快速发展需要引入宽带隙(WidebandgaP)材料，因为它具有高输出功率密度，高工作电压和高输入阻抗的潜力。基于GaN的RF功率器件在过去十年中取得了实质性的进展。本文试图回顾GaNHEMT技术的最新发展，包括材料生长，加工技术，器件外延结构和MMIC设计，以实现最先进的微波和毫米波性能，本文还讨论了GaNHEMT器件的可靠性和制造方面的挑战。2 .介绍随着近来无线通信市场的高涨，以及传统军事应用的稳定但持续的进步，微波晶体管在人类活动的许多方面发挥着关键作用。对微波晶体管性能的要求越来越高。在个人移动通信应用中，下一代蜂窝电话需要更宽的带宽和更高的效率。卫星通信和电视广播的发展要求放大器工作在更高的频率(从c波段到KU波段，再到Ka波段)和更高的功率，以减少终端用户的天线尺寸。同样的要求也适用于宽带无线互联网连接，因为速度或数据传输速率不断提高。由于这些需求，业界在开发基于Si/SiGe,GaAs,SiC和GaN的高性能微波晶体管和放大器方面进行了大量的投资。表1列出了这些材料的主要参数和JohnSon的品质因数(JM,Johnson,sfigureofmerit),用于比较不同材料的功率频率极限值。JM仅根据材料特性给出功率频率限制，可用于比较高频和高功率应用的不同材料。表1与各种材料的高频功率性能相关的材料特性SiGaAs4H-SiCGaNDiamondEr(eV)1.11.423.263.395.45%(cm")1.5x10101.5×1068.2×1(T91.9×10',01.6×1027er11.813.1109.05.5n(cm2Vs)135085007001200(Bulk)2000(2DEG)1900vsflf(107cms)1.01.02.02.52.7Ebr(MVZcm)0.30.43.03.35.6(W/cmK)1.50.4333-4.51.320JW=212.72027.5507T物G好历对高功率和高频率的要求需要基于具有大击穿电压和高电子速度的半导体材料的晶体管。从这个观点来看，具有更高JM的宽带隙材料，如GaN和SiC,是优选的。宽带隙导致更高的击穿电压，因为最终击穿场决定了带对带碰撞电离所需的场强。此外，两者都具有高电子饱和速度，允许高频操作。尽管具有相似的击穿场和饱和电子速度，但是与SiC相比，GaN形成异质结的能力使其性能优越。GaN可用于制造高电子迁移率晶体管(HEMT),而SiC仅可用于制造金属半导体场效应晶体管(MESFET)。HEMT的优点包括其高载流子浓度和由于电离杂质散射减少而具有更高的电子迁移率。高载流子浓度和高电子迁移率的组合导致高电流密度和低沟道电阻，这对于高频操作和电源开关应用尤其重要。从放大器的角度来看，GaN基HEMT器件与现有的生产技术(例如GaAS)相比具有许多优势。高输出功率密度允许制造具有相同输出功率的更小尺寸的器件。由于较小的尺寸，较高的阻抗允许放大器中更容易和更低的匹配损耗。由于其高击穿电场而在高电压下的操作不仅减少了对电压转换的需要，而且还提供了获得高效率的潜力，这是放大器的关键参数。宽带隙还使其能够在高温下工作。同时，HEMT提供比MESFET更好的噪声性能。通过卓越的半导体特性实现的放大器应用中的这些吸引人的特性使得基于GaN的HEMT成为微波功率应用中的非常有前景的候选者。在本文中，我们将讨论GaNHEMT技术的关键组件。在第二节中，我们通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)来回顾高纯度器件层的生长。在第In节中，我们介绍了正在开发的器件工程和工艺技术，以实现最先进的GaNHEMT性能。本文还讨论了可靠性和制造挑战。在第四节中，我们重点介绍了最近实现的一些GaNHEMT混合放大器和单片微波集成电路(MMlC)。3 .GaN的外延层生长许多团队一直在开发MOCVD和MBE外延生长技术，用于生长In族氮化物材料，如GaN,AlN,AlGaN和InGaN中。在MOCVD工艺中，使用相应的金属有机化合物，通常是三甲基像，三甲基铝和三甲基锢来提供Ga,Al和In等元素。然后金属有机化合物通过载气输送，最常见的载气是氢气。因此，载气中化合物的浓度由其蒸气压决定。最常用的氮源是氨。在RF-MBE技术中，通过使氮气流(N2气体)通过等离子体放电产生活性氮原子和分子。该方法的一个变体使用氨NH3作为氮源气体。In族元素的生长通量由高纯度元素源的蒸发提供。这两种技术的增长努力都集中在开发高功率微波和毫米波AlGaN/GaNHEMT结构上。SiC由于其优异的导热性而被广泛用作基板，而蓝宝石和Si也因其低成本而被使用。通过电阻性AIN成核层提供与SiC和Si衬底的器件隔离，其中调节生长条件以防止硅向外扩散。GaNHEMT薄膜已经实现了优异的材料质量。当用SIMS表征时，半绝缘GaN膜中的杂质浓度低于检测极限。已经证明了AIGaN/GaN,AlN/GaN,GaN/AlN/GaN和AlGaN/AlN/GaN具有平滑和突变界面的异质结构，导致形成具有电子迁移率的2DEGs在室温下高达2000cfIVS。常规地实现4英寸直径SiC衬底上只有2%的非均匀化(例如，参见图l(a)GaNDHFET(双异质结构场效应晶体管)的Va薄层电阻率图)。Average value 131 4072 Ohms/square Maximum value 134 0557 OhmS/square Minimum value 128.699 Ohms/square Standard deviation 1.3046 OhmsZsquarcw 8£0 xelsa134133 5133132 5132131 5131130.513012951291412 W 42 OReverse Bias (Votts)K11 10l101w 万物云联网图1在4英寸SiC衬底上生长的GaNHEMT的薄层电阻图和电容-电压图。在半绝缘SiC衬底上生长的AlGaN/GaNHEMT结构的汞探针电容-电压（OV）测量揭示了高质量的材料。CV曲线在高反向偏压（等于SiC衬底的电容）时表现出尖锐的夹断和极低的平坦电容,表明GaN缓冲和epi/SiC界面电荷/掺杂可忽略不计如图1所示（b）。MOCVD和MBE技术都能够生长薄层。已经证明，在AlGaN势垒和GaN沟道之间使用薄的10A°的AlN中间层可以通过增加HEMT结构的迁移率和片密度来降低薄层电阻。迁移率的增加归因于合金散射的减少和由于AlGaN/GaN界面处的较大导带不连续性导致的片电荷的增加。图2是在SiC衬底上生长的250A°A10.26Ga0.74N/10A°AlN/GaNHEMT的X射线光谱。薄的AlN层的存在增强了Pendellosung振荡的强度（PendelIOSUng振荡是异质界面质量（平坦度和突变性）的量度AlN中间层将薄层电阻从400降低到285欧姆/平方。并且迁移率增加到了大于2000cm2Vso108107106105104100010010151617181920DiffractionAngle疗万物谈网图2（0002）SiC衬底上的AIGaN=I0A°AlN/GaNHEMT的X射线光谱。使用MOCVD和MBE技术，注入者已经展示了类似于GaASPHEMT的更复杂的器件结构，例如量子阱或双异质结（DH,doublehetero-junction）FET<>这些设备中的一些可以工作到W波段频率。量子阱或DH结构提供改进的电子限制，以减轻与较小栅极长度相关的短沟道效应以及更好的衬底隔离，从而产生更高的器件增益和改善的器件效率。AlGaN缓冲层和InGaN背面阻挡层（barrierlayers）已被用于产生导带不连续性（类似于GaASPHEMT和InPHEMT的双量子阱），其抑制电子注入缓冲层。通过GaN缓冲层的Fe,Be或C掺杂（类似于GaASMESFET和SinMOS器件中常用的完全耗尽的掩埋P层），改善了沟道限制/缓冲隔离和减少缓冲漏电流。最后，在外延结构中添加了高度掺杂的帽层，以降低器件的接触（源）电阻，从而提高器件增益和效率。4 .先进的器件设计和处理技术4.1. 概述虽然业界已经研究了几种电子器件（例如，HBT,MESFET,MISFET,HEMT）形式，但是大多数研究工作都集中在HEMT包括M0SHEMT（金属氧化物半导体HEMT）,因为HEMT具有比MESFET更好的载流子传输性能以及GaN中p掺杂的困难阻碍了双极晶体管的发展。典型的AlGaN/GaNHEMT如图3所示。图3典型的AIGaN/GaNHEMT的示意图。Bykhovski等人预测了GaNHEMT中的极化掺杂效应。1992年报道了对在AlGaN/GaN异质结中载流子浓度约为1011CmA2且室温迁移率为400-800cm2/Vs的二维电子气（2DEG）的首次观察。AlGaN/GaNHEMT的第一个DC性能在1993年显示，饱和漏极电流为40mA/mm。1996年，AlGaN/GaNHEMT在2GHz时的第一次射频功率密度数据为1.1W/mm。在GaN器件开发的早期阶段，许多AlGaN/GaNHEMT在根据静态IV曲线的预测输出功率和输出功率的负载牵引测量之间存在差异，这个现象被称为BDC到RF的色散。在图4中，在脉冲IV测量中发生电流崩塌。它被认为是陷阱相关的现象，其中表面和体积陷阱都有贡献。色散的存在严重限制了GaNHEMT的微波输出功率，直到提出两个创新来克服这个问题。一个是在2000年引入了SiXN钝化层技术，它有效地降低了由表面陷阱状态引起的DC到RF的色散，从而导致输出功率的显着增加到9和IlW/mm。另一个是2003年采用的场板(场板，fieldplate)o除了传统的场板功能以增加击穿电压外，它还降低了超出SiXN钝化所提供的色散。从那时起，随着稳定改进的生长技术，材料质量，增强的处理技术和更优化的器件设计，输出功率密度进一步提高。功率密度的最新记录在4GHz时超过40W/mm。0510VdS(V)区奈万物云股网图4在SiC衬底上的AlGaN/GaNHEMT有钝化和无钝化的I-V特性。在脉冲模式中可以观察到明显的电流崩塌(分散)。基于GaN的器件的趋势是更高的输出功率密度，更高的功率附加效率(PAE),更高的工作频率和更高的可靠性。为了实现这些要求，正在开发新颖的器件设计和处理技术。最近，已经取得了很大进展，将在下面讨论。第一小节重点关注改善微波变换器的性能。最后一小部分介绍了优化毫米波应用器件的独特挑战。4.2.场镀(Field-PIated)GaNHEMT在GaNHEMT的漏极侧的介电层上实现场板(fieldPIate)已经产生了一些最重要和令人兴奋的改进。已经研究了场板(FP,fieldPlate)配置的性能和权衡以试图提取最佳增益和功率特性。三K½FP(GC-FP,GateConnectedFP)：图5(a)显示了栅极连接的场镀GaNHEMT的横截面。FP的功能是修改电场分布并降低其峰值，从而减少俘获效应并增加击穿电压。初始FP要么构造为栅极的一部分，要么外部连接到栅极。这对于改善大信号(或功率)性能和实现高电压操作是有效的，如图6(a)和(b)所示。达到一定值后，FP越长，输出功率越大。SiN图5具有栅极连接场板的GaNHEMT的横截面;(b)源连接的场板。(-uc匕c<一=4 GH， 40若*25力信加 5 (HP)=1Pum,=2.2 VVZmmPAE=-4 S% IVd% 8*W图6各种FP长度的功率密度与漏极电压的关系。设备尺寸：0.5 X 246 UmA2。工dB需方物云舸(b)具有栅极连接场板的GaN HEMT的功率性能，在120V漏极偏压下显示322Wmm输出功率密度。然而，在这种配置中，FP和漏极之间的电容变为栅极-漏极电容Cgd,导致负的米勒反馈(MiIlerfeedback)o这导致电流增益和功率增益截止频率(ft/fmax)减小，如图7所示。70605OW3O2D(ZHO3 6(01。) 4O 0.2 Q4 0.60.81.f(m)斗至万物云触网图7ft=fmax作为FP长度Lf的函数。源极连接FP(SC-FP,Source-ConnectedFP)：仔细研究器件工作情况可以看出，由于典型GaNHEMT的栅极和源极之间的电压摆幅仅为48V,远低于230V的动态输出摆幅，终止FP到源如图5(b)所示也能够满足静电功能。在这种配置中，FP.沟道电容成为漏源电容，可以在输出调谐网络中被吸收。因此消除了FP导致的附加Cgd电容的缺点。根据实施方案，源极连接的场板可以为器件输入增加寄生电容。然而，这也可以被吸收到输入调谐电路中，至少对于窄带应用而言。SC-FP,GC-FP和非FP器件在同一晶圆上制造，以进行直接评估。与非FP器件相比，具有GC-FP的器件的反向功率传输(S12)在4GHz时增加了71%,而具有SC-FP的器件的反向功率传输实际上减少了28%o后者的S12减少归因于接地场板的法拉第屏蔽效应。因此,在IoV漏极偏压和4GHz时，SC-FP器件的最大稳定增益(MSG)比非FP器件高1.3dB,比GC-FP器件高5.2dB。结果，SC-FP器件在最大稳定增益方面显示出显着的改进(在5GHz时为95dB),SC-FP器件的这一优势保持在10到60V的偏置范围内，如图8(a),图8(b)所示分别列出了GaFP和SaFP器件中电容分量的变化。CGSCGDCDSSC-FPGC-FP(a)(b)引至万物云联网图8(a)MSG作为漏极电压的函数；(b)改变GC-和SC-FP装置中的电容成分。大信号性能的特点是4GHz时的负载牵引功率的测量结果。GC-FP和SC-PF器件在48V及以上的输出功率和PAE均优于非FP器件，而SC-FP器件始终提供比GC-FP器件信号增益高5-7dB的大信号增益。作为成功的高压设计，两种FP器件都能够在118V直流偏置下工作，如图9所示，其中调谐经过优化，可实现增益，功率附加效率(PAE)和输出功率(3-dB压缩(P3dB)的最佳组合。虽然这两款器件的功率密度均在20W/mm左右，但SC-FP器件的相关增益高出7dB。由于在4GHz时实现了21dB的大信号增益和224V的估计电压摆幅，SOFP器件的电压-频率增益乘积(约翰逊的电压频率品质因数，Johnson'svoltage-frequencyfigureofmerit)½10kV-GHz,是有史以来最高的半导体器件。d 6(0p) u9Pin(dBm)万物专联网图9使用SC-FP器件和GC-FP器件在118V漏极偏置和4GHz时的功率扫描。器件尺寸：0.5×500m2o上述研究适用于C波段及以下的操作。对于X波段及以上的应用，需要相应减小场板的尺寸以管理寄生电容。4.3.深腔(Deep-Recessed)GaNHEMTSiNX钝化已被用于减少色散，但击穿电压的重复性，栅极泄漏和色散消除的有效性与工艺密切相关。最近，在外延层已经解决了色散问题。其中一种取得实质性进展的方法是使用厚盖层来消除色散的深腔(DeeP-ReCeSSed)GaNHEMT,如图10所示。150nmAMO5Ga595N100nmgradedAlXGal.N(X=O.22-0.05):Si40mAIq22o.7NS.I.GaN丁一万。图10具有AlGaN帽的深凹陷GaNHEMT的器件结构。表面对沟道的影响与表面和沟道之间的距离成反比。深腔(DeeP-ReCeSSed)HEMT中的厚AIGaN或GaN帽层增加了表面到沟道的距离，因此在没有表面钝化情况下会导致表面陷阱引起的色散减少或消除，因为与传统的AlGaN/GaNHEMT相比现在只有较小部分的沟道电荷受到影响。渐变AIGaN层是Si掺杂的，以补偿负极化电荷并防止空穴累积。除了深欧姆(deepohmic)和栅极深腔之外，工艺处理流程类似于标准HEMT的工艺处理流程。研究发现在栅极金属化之前对凹陷表面进行氟等离子体处理对于减少栅极泄漏(高达两个数量级)和增加击穿电压(9200V)非常有效。相关研究记录输出功率密度PoUt大于17W/mm,相关的功率附加效率(PAE)为50%,在VDS=80V,4GHz下测量(没有SiNX钝化，如图11所示)。这被认为是迄今为止没有表面钝化的GaN晶体管产生的最高功率。在较低的30V偏压下，出色的PAE为74%,输出功率密度为达到5.5W/mmo- 5 0 5 0 5 0 3 3 2 2 1 1 (BP).a y ESP)InOd(%) Wqd 6050403020IIII-O5101520Pjn(dBm)当比万物云;庆河图11为了精确控制凹陷深度并提高可制造性，已经开发出使用BC13/SF6的GaN相对于AlGaN的选择性干蚀刻技术。由于在AlGaN表面上形成非挥发性AIF3残余物，氟的存在降低了AlGaN的蚀刻速率。兼容的深凹陷结构具有GaN帽(>20Onm)和陡峭的GaN/AlGaN界面，以清楚地定义蚀刻停止位置，如图12所示。在A10.22Ga0.78N上，大约实现25个GaN的选择性。随着AIGaN中的AI组分，选择性增加，GaN和AlN之间的选择性增加至约50100。采用选择性蚀刻技术处理的器件显示出显着降低的处理变化以及出色的微波功率性能。在IOGHZ时，在VD=28V时实现了63%的高PAE,输出功率密度为5Wmm,而在VD=48V时实现了10.5W/mm和53%PAE,如图13所示栅极长度为0.6Um的这些器件的功率性能与10GHz时现有技术的传统SiNx钝化AlGaN/GaNHEMT相当。D260nmGaNSidelta-doping40nrAo22Gao7&N60(%) WVd4020I , I , I 1 I 1 O5101520图12具有GaN帽的深凹陷GaNHEMT的器件结构，其与选择性蚀刻技术兼容。35- -0 5 0 5 0 53 2 2 1 1mp) u2(ulsp 二 nodS.l.GaNPjn(dBm)遍万物云联网图13在没有SiXN钝化的IoGHZ时的功率性能。4.4.金属氧化物半导体HEMT(MOSHEMT)MOSHEMT设计结合了Me)S结构的优势，抑制了栅极漏电流，AIGaN/GaN异质界面提供了高密度高迁移率2DEG通道。MOSHEMT方法还允许施加高正栅极电压以进一步增加2-D沟道中的片电子密度，并因此增加器件的峰值电流。MOSHEMT内置沟道由AlGaN/GaN界面处的高密度2DEG形成，如在常规AlGaN/GaNHEMT中那样。然而，与常规HEMT相比，栅极金属通过诸如SiO2,A10,ZrO,NbO,AIN,HfO2等的薄介电膜与AlGaN势垒层隔离，如图14所示。M0SHEMT栅极表现得更像MOS栅极结构，而不是常规HEMT中使用的肖特基势垒栅极。由于适当设计的AIGaN势垒层通过电子转移到相邻的GaN层而完全耗尽，所以MOSHEMT中的栅极绝缘体由两个连续的层组成：Si02膜和AlGaN外延层。这种双层确保了极低的栅极漏电流，并允许大的负栅极电压摆幅。SourceGateDrainGaNsapphire豆毛万物云联网图14AlGaN/GaNMOS-HEMT的器件结构。抑制栅极漏电流是MOSHEMT最重要的特性之一。在图15中展示出了在不同温度下1.5UmX200Um栅极MoSHEMT的栅极泄漏电流。数据显示，室温下20V栅极偏压下MOSHEMT漏电流低至InAmm,比具有类似栅极尺寸的常规HEMT小约六个数量级。即使在300°C时，MOSHFET的栅极漏电流仍比常规HEMT低3-4个数量级。图15在不同温度下MOSHEMT1.5umX200um栅极的栅极泄露电流和在二极管模式下测量室温下的基线HEMT（漏极断开）。正栅极电压下的最大DC饱和漏极电流是控制最大输出RF功率的关键参数。对于传统的AIGaN/GaNHEMT,栅极电压超过1.2V会导致过大的正向电流。在MOSHEMT中，可以施加高达IOV的栅极电压，而这导致最大沟道电流的显著增加。然而，栅极泄漏仍远低于InA/mm。图16示出了在漏极电压下测量的15m栅极长度MOSHEMT和HEMT的传输特性，其足以将工作点移动到饱和状态。采用SiXN表面钝化和场板，2GHz的MOSHEMT的输出功率密度为18.6W/mm,PAE为49.5%,漏极偏压为55V,如图17所示。此外，在如此高的输出功率密度下，时间为100小时的RF应力后性能没有降低。MOSHEMT在更高频率（例如26GHZ）的应用也得到了证明。栅极泄漏要低得多，最大输出功率比同一组制造的HEMT高3dBo更仔细地缩放栅极长度和栅极氧化物厚度，或采用高K电介质，可以将M0SHEMT的应用扩展到亳米波频率。图17对于200Um宽的器件，2GHz的功率扫描。器件尺寸为LSd=6um,Lg=1.1um,LFP=2.1um,与栅极重叠LIUm。4.5.用于毫米波应用的GaNHEMT的工艺和器件技术新应用要求在较高频率下具有高输出功率和效率，尤其是Ka波段（26-40GHZ）及更高频率，目的是替换或补充现有的行波管放大器。卫星和宽带无线通信以及先进的雷达只是许多应用中的一小部分，这些应用将大大受益于这些基于固态的放大器的可靠性的增加，尺寸和噪声的降低。为了实现在mmWave（毫米波）频率及更高频率下工作的目标，必须使用新的工艺技术和器件结构。必须最小化mmWave（毫米波）HEMT的栅极-源极间距，以保持低源极接入电阻。然而，传统的合金欧姆接触具有粗糙的形态和边缘，这限制了栅极源极之间间距的减小。因此，非合金欧姆接触对于高频器件是优选的。在GaN器件制造中已经使用离子注入来形成非合金欧姆接触。过去，在注入活化退火工艺过程中使用保护表面层采用高温12001500度的退火工艺，包括SiO2,Si3N4和AlN,以及高压（100barN2）°然而，使用高温，高压和封盖退火工艺限制了该工艺对AIGaN/GaNHEMT的可制造性。最近，研究人员开始应用这种技术选择性地掺杂GaNHEMT的源极和漏极接触区域，以降低接触电阻并实现非合金欧姆接触的产生（见图18）oSU27mnAln.Gan7N0.6mUiDGaN40nmAlN欧姆接触的光同样的研究人图18注入的S/D的AlGaN/GaNHEMT的示意性外延结构。形成在注入区域上的非合金欧姆接触具有比合金接触更光滑的表面，如图19所示。滑边缘允许减小栅极-漏极间距，从而进一步降低了接入电阻，这对高频设备很重要。员还展示了一种无帽的注入体激活退火，降低了热预算并提高了可制造性。(b)当奈万物云吃网图19(a)GaNHEMT的合金欧姆接触的粗糙表面形态(b)非合金欧姆接触的光滑表面形态。采用非合金欧姆接触器制造的器件具有与控制器件相当的性能，表明注入和无盖退火工艺不会降低HEMT材料的特性。最近，通过优化离子注入工艺(包括减小注入和欧姆边缘之间的间距)，实现了低于0.3K-mm的非合金欧姆接触电阻。当VD=35V时，HEMT显示出60%的优异的PAE,输出功率密度为7.3Wmm(10GHz).在过去的几年里，Ka-band的功率性能取得了稳步进展。例如，据报道，2003年40GHZ的输出功率密度为2.8W/mm,2004年的30GHZ时为5.7W/mm。最近，在30V的漏极偏压下，40GHZ时的输出功率密度为10.5W/mm,PAE为34%,如图20所示。该器件的栅极长度为160nm,显示出70GHZ的电流增益截止频率(fT)和IoOGHZ的最大功率增益截止频率(fmax)。非常高的输出功率是两个极高电流密度(VGS=+2V时约为1.4Amm)和击穿电压(80 V)相结合，可忽略不计的膝盖电压和崩溃电流结果。Put ma-32,0 dBm (10,5 Wmm)r PAE = 33%35305 0 52 2 1 (LUBPWOdIIIIpIlIf = 40GHzPoUtV = 30 V, V =-2,5 V , DS，GSb PAE -* *Gain 40353015105()山4d .(BP) C-S10'1J-1-1-O182022242628P(dBm)工弟万物云联网图20毫米波MoeVDAIGaN/GaNHEMT的功率扫描，在40GHZ时最大功率密度为10.5W/mm,PAE为33%。漏极电压为30V,漏极偏置电流为50OmA/mm。在Ka频段以外的操作需要更高的fT和fmax,并且正在吸引大量的研究工作。传统方法，例如,较短的栅极长度，多个指状物以减小栅极电阻和F形栅极以减小栅极漏极电容，仍然有效地进一步提高器件性能。采用30nm栅极薄AlGaN势垒层和CAT-CVD沉积SiN薄层实现了180GHz的fT。为了改善电子的限制以降低输出电导并改善fmax,背势垒(back-barrier)的概念最近引起了一些研究。利用低Al含量A10.04Ga0.96N缓冲层的DHFET实现了三个数量级的亚阈值漏极泄漏，并且输出密度提高了30%,PAE提高了10%。另一种InGaN背势垒设计利用GaN独特的强极化特性来改善沟道电荷限制。样品结构如图21所示。超薄InGaN层厚lnm,In的组成成分为10%。如图22(b)所示，具有InGaN背势垒的样品的夹断特性对于高达50V的漏极电压是优异的，比没有InGaN背势垒的对照样品好得多图22(a)。这导致输出电阻的改善。栅极长度为20Onm的标准HEMT的输出电阻为20+5oHm-mm,而在具有InGaN背势垒的样品中，输出电阻为35+5oHm-mm。由于改善的限制，测量到fmax平均增加18%。未经钝化的器件实现了230GHZ的记录fmax和150GHZ的(T,如图23所示。需要做更多的工作来确认InGaN背势垒器件在大信号操作下的优势。21 O>) A6-u 山13nmAl032Ga068N11nmGaN1 nm In01 Ga09NGaN buffer on SiC-StandardHEMTInGaNback-barrierHEMTI.I.I.01020304050Thickness(nm)工弟万物云联网图21InGaN背势垒样品的示意图和能带图。(LUE/COUJlECT4025a)15106p).三e0OOOooooOrDAu三hlvuRJu43322xX-50图22在标准AIGaN/GaNHEMT和具有InGaN背势垒(b)的HEMT中用VDS改变gm和夹断。351.G=100nm-f=153GHzfmax=198GHz-Ids=100mA1.G=IOonm.f=124GHz.fma=230GHz-¼5Oio10Frequency(GHz)豆奈万物云联网图23具有InGaN背势垒的AIGaN/GaNHEMT的小信号性能，其偏置电压针对最大仃和最大fmax进行了优化。4.6.GaNHEMTS器件的线性对于所有高数据速率通信应用，器件线性度是关键性能规范。由于与较低带隙半导体相比，Iv平面具有较大的工作空间，因此基于GaN的HEMT具有为严格要求提供高线性度的潜力。高功率发射机的线性标准通常用相关输出功率和某一失真水平下的效率表示。虽然存在许多调制方案，但是器件技术的基本评估总是可以通过双音调互调制来完成。到目前为止，使用场板GaNHEMT实现了最佳报告的双音线性效率组合。这些器件类似于第In-A节中具有栅极连接场板的器件。栅极尺寸为0.5X246PmA2。FP_LF的长度（定义为FP在漏极侧的栅极边缘上的延伸）被设定为0（即非FP）,0.7和1.1m。所有带有和不带FP的器件都具有相似的直流特性，包括1A/mm的开路电流和4V的栅极夹断电压。然而，FP器件显示出更高的击穿电压为140V,而非FP器件则为100V.当针对偏置电流研究截止频率时，所有器件在功率增益截止频率fmax时都显示出非常急剧的导通特性，因为器件通道如图24所示。这种增益特性非常适合B类或深级AB级功放操作，实现高效率。70TId（mAmm）豆至万物云联网图24GaNHEMT的Ft和FmaX与电流的关系，显示出非常急剧的导通，非常适合B级或深AB级操作。当偏置电压为48V时，静态电流小至20mA/mm,并由4kHz间隔为IoOkHZ的双音信号驱动，非FP器件产生3.4W/mm,PAE为56%,增益为15.8dB。IM3为-30dBc。由于场成形的益处，FP器件表现出改善的线性功率。然而，随着LF的增加，增益降低，这对PAE产生了负面影响。作为妥协,发现LF=O.7Um在该偏置电压下是最佳的，实现了3.7W/mm的线性功率密度，具有57%的PAE和13.7dB的增益，IM3为30dBc,如图25所示。PAE=57%Pin(dBm)图25LF为0.7mm的器件在30dBclM3下实现57%PAE,相关输出功率为3.7W/mm。设备尺寸:0.5X246mm9。Vds=48V,深 AB 类偏置，IQ = 20 mA/mmo3dB压缩时的单音功率为：P3dB=8.8W/mm,PAE=71%。FP器件的一个更重要的优点是它们具有更高电压操作的能力。在78V时，具有50%PAE同时获得7W/mm线性功率密度，并且从LF=0.7m的器件获得15.2dB增益。如图26所示，随着偏置电压的进一步增加，需要更长的LF。在108V时，LF=1.1m的器件产生10W/mm线性功率，41%PAE和14.3dB增益，IM3为-30dBco高线性功率密度和PAE的组合是对先前报告的性能的显着改进,对于未来的通信应用非常有希望。PAE=41%图26LF为LImm的器件产生IOW/mm在-3OdBC的IM3,相关PAE为41%。设备尺寸：05*246mr11A20Vds=108V,深AB类偏压，IQ=20mAmm<>3dB压缩时的单音功率为：P3dB=24W/mm,PAE=48%。作为商业应用的一个例子，CREE公司已开始为严格的WiMax发射器放大器提供GaNHEMT产品。单个GaNHEMT放大器不仅可以在Si技术中使用三个放大器来管理3.3-3.9GHz的带宽，而且不仅覆盖整个频段，而且在2.5%的EVM的指定失真水平下具有更高的2328%的漏极效率。与Si器件相比，其PAE约为18%（见图27）cMeasuredPoutandEfficiencyvsFrequencyat2.5%EVM302724() AOUQ。三山18 5 2 211196300987654324333333333130(EmP)InOJ3.33.53.73.9Frequency（GHz）工条万物二轮网图27使用CREE公司的CGH35015S-DSGaNHEMT的WiMax放大器的漏极效率另一个重要优势是GaNHEMT的记忆效应降低，这对现代数字预失真发射机是有益的。最近，利用GaNHEMT的所有有利特性，在WCDMA基站放大器中实现了显着的平均效率50%,平均输出功率为37.2W,归一化功率RMS误差为0.7%,ACLR偏移频率为5MHz时为-52dBc,这比传统技术至少提高了两倍。4. 7.可靠性和制造方面的挑战GaN技术商业化的最后一个障碍是证明可靠性符合系统要求。为了解决可靠性问题，研究的重点是减少或消除与器件工作相关的高电场和高功率条件下的器件漂移和漏电流。这些包括：1）提高基板和外延生长器件层的材料质量（降低缺陷密度）2）外延工程，如背面势垒层，以减少亚阈值泄漏电流；3）表面稳定/钝化，以消除由于表面电荷和栅极漏电流的变化引起的器件漂移；4）器件/工艺工程，如栅极凹陷和场板技术，以减少通道中的峰值电场；5）已在不同的研讨会和会议上展示强大的欧姆和栅极接触的发展最近在宽带隙器件的可靠性方面取得了进展；（例如，参见2005年和2006年ROCS化合物半导体的可靠性研讨会）许多实验室已经在行业标准可靠性测试下报告了可靠的设备操作。三个温度DCArrhenius加速寿命测试预测在28V工作的GaNHEMT的标准工作（通道）温度下寿命超过一百万小时（图28）0RF加速寿命测试和三次温度RFArrheniusTime hrC8o.2V GaN ArTheniU8O