房柏彤,朱广润,张 凯,郭怀新,陈堂胜

(南京电子器件研究所,江苏 南京 210016)

第三代半导体氮化镓(GaN)材料具有禁带宽度大、电子饱和速度及电子迁移率高、击穿场强高等特性[1],使GaN HEMT器件拥有高频率、高功率、耐高温高压、抗辐射等优点,在射频领域有广阔的应用前景,得到了美国Cree等半导体巨头公司的关注[2-4],国内也有北大、西电[5]以及中国电科等单位进行长期的研究。

碳化硅(SiC)材料的热导率高,晶格匹配性优异,由其外延得到的GaN 薄膜结晶质量是最优的,然而SiC衬底的价格高昂,晶圆尺寸小(3～4英寸为主),不利于GaN射频器件的产业化。硅(Si)材料的价格低廉、晶圆尺寸大(≥6英寸)、热导率良好,若能解决Si CMOS工艺与GaN制备工艺的兼容问题,即可低成本、大规模地生产GaN射频器件,进而推动5G通信及其他新兴技术的普及应用。此外,除了传统的单一射频芯片或功率器件外,还可利用Si工艺平台实现GaN射频器件与功率器件的单片集成,以及与Si器件的异质异构集成等,大幅提升电路性能与集成密度,推动智能前端芯片技术发展。因此Si基GaN 技术正受到国内外科研院所与产业界越来越多的关注[6-8]。

本文主要调研了近年来国内外关于Si基GaN 射频器件在材料、工艺与电路上的研究进展,剖析了相关技术难点与存在问题,并展望了Si基GaN 射频器件未来的优化发展方向。此外还基于射频损耗较低的高阻Si上AlGaN/GaN HEMT 材料,报道了研制的0.25μm及0.4μm工艺下的Si基GaN射频器件,经测试在C波段及X波段下工作性能优异,揭示了Si基GaN射频器件在5G 应用及低成本雷达等领域的独特优势和应用前景。……