近日，由西安電子科技大學郝躍院士、張進成教授、周弘教授的研究團隊與蘇州能訊合作，在氮化鎵射頻功率器件研究中取得重要突破。

該項研究通過采用未摻雜的超寬帶隙AlN緩沖層并優(yōu)化其生長工藝，成功制備出具有原子級陡峭AlN/SiC界面的AlGaN/GaN/AlN-on-SiC HEMT，實現(xiàn)了低熱阻和創(chuàng)紀錄的功率輸出密度。

該成果以“Low Thermal Resistance X-band AlGaN/GaN/AlN-on-SiC RF Power HEMTs with Record Pout = 41 W/mm and fT×BV = 31 THz·V”為題，發(fā)表于全球微電子領域頂級學術會議——國際電子器件會議（IEDM）上。西電周弘教授為第一作者，西電張進成教授、張雅超教授、蘇州能訊高能半導體有限公司裴軼博士以及香港大學張宇昊教授為共同通訊作者。合作單位包括航天博目、武漢大學和香港大學。此項研究一舉突破了X波段GaN功率器件性能長達二十年的停滯局面，為下一代高功率、高效率射頻系統(tǒng)提供了有效的技術路徑。

研究背景

過去二十年，氮化鎵高電子遷移率晶體管已成為高性能射頻功率應用的基石。然而，在追求更高功率密度的道路上，器件的自熱效應成為了最主要的限制因素。傳統(tǒng)的GaN-on-SiC技術通常采用島狀成核的AlN層和微米級厚度的GaN緩沖層，這導致了異質界面處的界面熱阻和整體外延結構的熱阻居高不下，使得X波段（8-12 GHz）的輸出功率密度長期停滯在30-33 W/mm。

研究亮點

本研究提出使用未摻雜的AlN緩沖層，并優(yōu)化其生長工藝。通過低的V/III比（800）和生長速率（2.5 nm/min），實現(xiàn)了具有原子級陡峭AlN/SiC界面的薄膜狀AlN緩沖層。與傳統(tǒng)的島狀成核相比，這種新型AlN緩沖層降低了界面熱阻RTB和位錯密度，并進一步允許生長具有與傳統(tǒng)微米級厚度的GaN緩沖層相似位錯密度的薄（210 nm）GaN溝道層。這些外延進展使得器件熱阻RT降低了70%以上。通過這一技術平臺，所制備的射頻功率HEMT器件展現(xiàn)出全面領先的卓越性能。在熱學特性上，器件的整體熱阻低至2.1 K·mm/W，不到傳統(tǒng)器件的三分之一，這意味著在相同功耗下，芯片結溫顯著降低，可靠性和壽命大幅提升。在射頻性能上，器件實現(xiàn)了最高72/134 GHz的 fT/fmax，而其 fT×BV 品質因數(shù)達到31THz· V。在10 GHz工作頻率、115V高漏壓條件下，器件輸出了41 W/mm的飽和功率密度，并同時保持 了51%的功率附加效率。這一功率密度顯著優(yōu)于業(yè)界此前最佳水平，為下一代高功率、高效率射頻系統(tǒng)樹立了全新的技術標桿。

圖1 AlGaN/GaN/AlN-on-SiC 射頻 HEMT 的截面和三維示意圖以及關鍵的工藝步驟

圖2 不同生長條件下的AlN/SiC界面的高分辨率TEM圖像

圖3  具有AlN成核島和厚GaN緩沖層的傳統(tǒng)GaN射頻功率器件與本工作中器件的熱學特性對比

圖4  (a)該工作的AlGaN/GaN/AlN功率器件的fT×BV值與fT，以及(b) X波段Pout與相關PAE，與其它最先進的GaN射頻功率器件的性能對比

蘇州能訊在氮化鎵射頻高功密密度方向持續(xù)創(chuàng)新，推出了高性能高可靠性的量產(chǎn)工藝平臺：DG2521。該代工平臺采用0.25 µm制程，以4吋SiC為襯底，減薄厚度為75 µm，支持60V、 Sub-18 GHz應用，有源器件包含功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、開關（SW），無源器件主要包括電容、電感、電阻、傳輸線。

表1：DG2521平臺的PA在X波段不同應用電壓下的大信號性能

DG2521平臺的PA在X波段不同應用電壓下的大信號性能（含輸出二次諧波匹配）如上表所示，在10GHz、60V條件下，其PAE達81.4%，功率密度達15.8 W/mm。值得一提的是，該平臺的擊穿電壓超250V，可支持60V以上的電壓應用。

為滿足不同功率的設計需求，平臺提供了智能的可視化參數(shù)化單元（Parameterized Cell），同時支持可變源、漏極寬度用以滿足多種散熱和面積設計需求。為克服單一器件在擊穿電壓及輸出功率上的缺點，同樣推出了Common Gate類型的晶體管模型?？赏ㄟ^設計堆疊晶體管（Stacked-FET）的拓撲結構，實現(xiàn)電壓的平均分配，有效的增加總輸出電壓擺幅，提高輸出功率同時獲取更寬帶寬的輸出匹配網(wǎng)絡。

圖5 堆疊晶體管模型示意圖