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1、微波功率器件及其材料的发展和应用前景来源：材料导报内容摘要： 介绍了微波功率器的发展和前景，对 HBT, MESFET 和 HEMT 微波功率器件材料的特点和选取，以及器件的特性和设计做了分类说明。着重介绍了 SiGe 合金.InPSiC、 GaN 等新型微波功率器件材料。并对目前各种器件的最新进展和我国微波功率器件的研制现状及与国外的差距做了概述与展望。 文 剑 曾健平 晏 敏(湖南大学应用物理系，长沙 410082)0 概述由 Ge、Si、-V 化合物半导体等材料制成的，工作在微波波段的二极管、晶体管称为微波器件。微波即波长介于 1m1mm 之间的电磁波，相应频率在 300MHz300GH
2、z 之间。微波半导体器件在微波系统中能发挥各方面性能，归纳起来为微波功率产生及放大、控制、接收 3 个方面。对微波功率器件要求有尽可能大的输出功率和输出效率及功率增益。 进入20 世纪 90 年代后，由于 MOCVD(金属有机化学气相淀积) 和 MBE(分子束外延)技术的发展，以及化合物材料和异质结工艺的日趋成熟，使三端微波器件取得令人瞩目的成就，使得HBT(异质结双极型晶体管)、MESFET(肖特基势垒场效应晶体管)以及 HEMT(高电子迁移率晶体管)结构的各种器件性能逐年提高。与此同时，在此基础上构成的 MMIC(单片集成电路) 已实用化，并进人商品化阶段，使用频率基本覆盖整个微波波段，不
3、仅能获得大功率高效率而且，噪声系数小。随着微波半导体器件工作频率的进一步提高，功率容量的增大，噪声的降低以及效率和可靠性的提高，特别是集成化的实现，将使微波电子系统发生新的变化。表 1 列出了几种主要的三端微波器件目前的概况。表 1 微波三端器件概况名称 类型 材料 工作原理 主要功能 结构特性微波双极晶体管PN 结三端器件 Si由电流控制对输入信号的放大作用低噪声放大、功率放大、微波振器窄线条、浅扩散、n-p-n微波异质结双极晶体管(HBT)异质结三端器件AlGaAs/GaAsInP/InGaAsPSi/SiGe/Si同上 同上 宽带发射区异质结 NbNe微波功率MESFET金属- 半导体接
4、触三端器件GaAs、SiC 由电压控制的对输入信号的 放大作用 同上 台面型、平面型高电子迁移率晶体管(HEMT)异质结扬效应晶体管AlGaAs/GaAsAlGaN/GaN通过由电压控制的高电子迁移率 2DEG(二维电子气)浓度和运动的变化实现输入信号的控制和放大同上 多层外延、异质结、 台面型、平面型1 HBT 功率微波器件的特性及设计要点微波双极型晶体管包括异质结微波双极型晶体管和 Si 微波双极型晶体管。Si 器件自20 世纪 60 年代进入微波领域后，经过几十年的发展，性能已接近理论极限，并且其理论和制造已非常成熟，这可为后继的第二代、第三代器件借鉴。HBT 主要由化合物半导体或合金半
5、导体构成，需要两种禁带宽度不同的材料分别作为发射区和基区，宽带隙材料作发射区，窄带隙材料作基区。当为 DHBT(双异质结双极型晶体管)时，集电区与基区材料带隙也不相同。为更加有效地利用异质结晶体管的特性，其结构也不再是普通的平面结构，而是采用双平面结构。1.1 材料的选取及特性虽然大部分微波功率器件被-V 化合物功率器件占据，但 -V 化合物 HBT 在目前也存在着可用频率范围小、材料制备及工艺成本高，器件在这些材料上的集成度不高，机械强度小以及在大功率情况下热不稳定现象严重，并可能造成发射结陷落和雪崩击穿，以及晶格匹配和热匹配等问题。InP 自身具有良好的特性，与 GaAs 相比，击穿电场、
6、热导率、电子平均速度均更高，而且在异质结 InAlAsInGaAs 界面处存在着较大的导带不连续性、二维电子气密度大，沟道中电子迁移率高等优点，决定了 InP 基器件在化合物半导体器件中的地位和优异的性能。随着近几年对 InP 器件的大力开发和研制，InPHBT 有望在大功率、低电压等方面开拓应用市场，拥有更广的应用领域。987 年 Lyer.S.S 和 Patton.G.L 等首次发表了用 MBE 技术成功地研制出 Si0.88Ge0.l2 基区HBT，使 SiGe 合金受到关注。由于近年来的研究，基于 SiGe 的 HBT 器件很好地解决了材料问题， 因其与 SiCMOS 器件工艺的兼容性
7、，使得 SiGe HBT 能够高度集成，而且由于材料的纯度与工艺的完善，使其具有比-V 化合物 HBT 更小的 1/f 噪声。SiGe 合金的带隙可根据组分的变化自由调节，且其电子、空穴的迁移率比 Si 中的高，由于比硅单晶器件有更好的性能，SiGe 与目前的硅超大规模集成电路制造工艺的兼容性使其在成本与性价比方面具有极大的优势，因此 SiGe 被看作是第二代器件材料，受到广泛重视。由于 Si 和 Ge 有高达 4.2的晶格失配，则必须在低温下才能生长出高质量的 SiGe/Si 异质结，并且 Ge 组分越小热稳定性就会越好。1.2 器件的设计功率微波晶体管不仅工作频率高，而且承受的功率大，即要
8、求有大的电压和电流容量。提高电流容量需增加发射极总周长，并防止大电流下的发射结注入效率下降，避免有效基区扩展效应和发射极电流集边效应等。从频率和功率两方面考虑则可用增益带宽乘积来表示：其中 GTM 是增益， f 是带宽， f T 是特征频率，l e 为发射极寄生电感，r b 是基区电阻，C C是集电极电容。故要减小结面积以减小电容 CC，并减小 rb。HBT 理论( 利用半导体材料带隙宽度的变化及其作用于电子和空穴上的电场力来控制载流子的分布和流动)的提出很好地解决了这些问题。由于 HBT 晶体管发射区材料的禁带宽度比基区大，对 npn 型 HBT，其宽禁带的发射区势垒阻碍了基区空穴的注入，因
9、而可在注入比不变的情况下提高基区掺杂浓度，降低基区电阻。采用选择再生长技术可将其基区电阻 rb 缩小 4 倍，同时利用非晶 InGaAs 缓变基区使通过再生长的基于 GaAs 的 HBT 获得更低的 rb、C C，从而获得更高的 fmax，这样可扩大-V 化合物器件的频率范围。这些器件有 26GHz HBT，输出功率为 3.63W，功率效率(PAE)为 21；35GHz HBT，输出功率为 1W，效率为 29等。此外，我国中科院做电子研究所利用发射极金属掩蔽进行内切腐蚀的方法研制成自对准 InGaP/GaAs HBT，其特征频率(f T)达到 54GHz。由于热传导的二维、三维效应，晶体管的结
10、温不处于统一温度，而是随位置变化的。在微波功率管中，这种现象更加明显，究其原因主要有： 微波应用中，发射极与基极的线条更细、发射极间距更小、热偶合更加显著；为提高微波和功率性能，集电极电流密度很大，因而功率密度更高；为获得更大的 功率和充分利用芯片面积，器件有源区的面积也不断增加，器件的中心区域热流趋近一维传导，而边缘则是二维、三维导热；发射极电流密度对温度的正反馈，电 流集中于中心区域。所以中心与边缘温度相差很大，严重时可达几十度，导致器件的可靠性下降。实验表明，低掺杂的外延层不仅能作为镇流电阻，而且还能非常有 效地降低发射极电流集边效应，大大提高了器件可靠性，此法主要是减弱发射极电流密度对
11、温度的正反馈效应，不能改变热流的二维、三维效应。采用不等间距和不等发射极条长设计或发射条的间断设计 (即在器件的中心区边缘发射条断开，并空出此区域，因而在此区域没有功耗)可获得结温一致的晶体管。 2003 年蔡勇等人的模拟数据表明，采用功率密度非均匀设计可整体提高微波功率晶体管器件的可靠性。对于 SiSiGeSi 的器件的设计，可采用双平面结构。与小功率微波 HBT 器件相比，微波功率器件的发射结大小的特性并不是最重要的。器件设计的目标是大功率和高速度，即对于 SiGe HBT 来说既要有大的输出功率，又要有高的微波波段响应频率，这两方面是互相限制的，所以当器件用作功率放大器时其特性可用最高振
12、荡频率来衡量，即：为了提高器件的频率响应，采用了竖直和外延结构优化组合设计方法来达到高的，fmax 值。对于 SiGe HBT，Ge 的含量必须很好设计，这有利于提高器件的性能。最大的 Ge成分是在 E-B 结一边，然后向 B-C 结渐变降低，是最合适的选择，当前的研究表明35 at左右 (40 at)的 Ge 含量可使少子在基区的迁移率达到最大。作为功率器件，基区要求高掺杂，可降低基区电阻，并可产生良好的欧姆接触，从而降低接触金属的宽度，并能使基区宽度进一步缩小，这可提高频率特性(在不考虑基区穿通的情况下)。高掺杂将降低载流子迁移率。但根据基区掺杂浓度的增加带来的好处超过了载流子迁移率下降的
13、弊端。集电区厚度及掺杂浓度的设计对功率微波晶体管来说最为重要，因为它将影响器件的热效应和速度，采用厚的轻掺杂的集电区有利于提高 fmax，同时也会降低热效应，这给器件功率特性(即减小了集电结电流密度 )带来不利影响。虽然厚集电区会使 c 增加而使 fT 下降，但它带来的好处(降低 CC 和热效应以及有大的击穿电压和好的线性度) 也超过了使 fT 下降的不良影响。在一般情况下，SiGe 微波功率 HBT 的基区掺杂浓度在 1020cm3 数量级，集电区掺杂浓度在 31016cm3 左右。 Ge 的含量在合金中占 30 at。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
14、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
15、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(210 7cm/s)，高的击穿强度(410 6V/cm)，低的介电常数和高的热导率(4.9W/cmk)。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 34 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6
16、5.7，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 0.5lm 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 0.7m，栅宽 48mm，工作电压 58V(fT=9GHz，f max=20GHz)。其设计目前已可采用多指栅，由于器件有超过
