高功率微波GaN器件研究現狀與發展趨勢

成都西科微波通訊有限公司 李國熠

成都嘉納海威科技有限責任公司 滑育楠 鄔海峰

1.引言

隨著半導體技術的進步，以氮化鎵（GaN）為首第三代寬禁帶半導體器件已經在近年來得到廣泛關注與研究。經過多年的技術積累，GaN HEMT MMIC于2010年已開始進入了快速發展的階段，成千上萬的高功率微波GaN器件應用到雷達、電子戰裝備和移動通信基站等領域。它是目前學術界產業界研究的熱點，也是軍用設備、民用通信中關鍵技術。本文在分析高功率微波GaN器件研究現狀的基礎上，總結了其發展趨勢及應用前景，供有關學者參考。

2.GaN器件現狀

圖1 半導體材料特性

GaN材料十分適合制作高功率、高頻率、穩定性好的電路。其半導體材料特性對比參見圖1[1]。近幾年GaN HEMT與MMIC應用研究的技術創新非常活躍，在高效率、寬頻帶、高功率、MMIC和先進熱管理等方面的研究均有長足的進步，表現出GaN HEMT技術在微波、毫米波領域的持續創新能力。目前GaN HEMT的發展突破了一系列關鍵技術，如零微管缺陷、高質量、高純半絕緣單晶襯底生長、抑制電流崩塌、柵漏電流、逆壓電效應、熱電子效應和熱聲子效應等失效機理和可靠性提升等，使其發展成為固態微波領域中新的核心技術。GaN在功率密度方面比Si，GaAs和InP等微波器件高近10倍，在2～40GHz內，小柵寬器件的功率密度達到10W/mm以上，最高達到40W/mm[1]，在80GHz達到2W/mm[3]。納米量級的柵長、抑制短溝道效應和減少寄生參量等方面優化設計的結合，使GaN 器件高頻特性的截止頻率(fT)已達370 GHz[4]，最大振蕩頻率(fmax)已達518 GHz[5]。GaN 器件所具有的微波高功率密度和較好的高頻性能在雷達、通信和電子對抗等領域引起了高度關注，頻率從UHF到3mm波段，均有大量的GaN 器件研究錯誤!未找到引用源[8]。

3.高功率微波GaN芯片現狀

圖2 GaN功放芯片輸出功率隨頻率變化曲線

基于文獻調研，功率放大器(PA)是目前研究熱點，在低噪聲放大、微波開關等方面的研究也在逐步開展。現有的最先進的單片高功率微波GaN PA輸出功率隨頻率變化曲線如圖2所示，其輸出功率的理論極限約正比于1/f2。在DC-18 GHz，單片、窄帶GaN PA的輸出功率具有潛在提升空間。類似的，GaN PA效率隨頻率變化曲線如圖3所示，其效率的理論極限約正比于1/f0.6。在10-25 GHz，單片、窄帶GaN PA的效率仍有較大提升空間。由于片上匹配電路元件的Q值較低，傳統匹配設計方法在實現窄帶PA時，損耗較小切效率較高，但是隨著帶寬增大，片上匹配電路的損耗增加，導致效率大大降低。

圖3 GaN功放芯片效率隨頻率變化曲線

目前針對高功率微波GaN芯片的研發存在難題主要集中在：a.高效率寬帶PA設計，在毫米波頻段，半導體器件寄生參數將嚴重影響PA的功率、效率和線性度等指標，因此要使用抵消、利用或減小寄生參數技術改善；b.高精度工藝器件建模，如果沒有器件模型或是模型的準確度較差，則電路設計的難度將大大增加，耗費的財力和人力將幾倍甚至幾百倍，開發周期也會大大延長；c.器件可靠性設計，由于高功率電路中晶體管自熱效應使得內部溫度急劇升高，導致GaN器件參數退化；d.芯片一體化封裝設計，利用并排或疊加的封裝方式，將多個不同功能有源芯片與無源器件實現一定功能的標準封裝。

4.全球GaN代工廠調研

近年來GaN器件市場異常活躍，因為它逐漸成為主流并開始滲透一些批量需求的商業市場，已經在大部分高功率微波軍事應用中占據強有力地位，并已占領一些民用基礎設施市場。針對GaN的代工廠分布，Microwave Journal調查結果表明[9]：北美有Wolfspeed、NRC，歐洲有BAE、Fraunhofer、UMS、OMMIC等，中國臺灣有穩懋(WIN)中國大陸有成都海威華芯（HiWafer）和廈門三安（SANAN）提供代工服務。盡管日本的射頻GaN市場占有率高，但沒有任何日本公司提供代工。美國的大多數客戶選擇Wolfspeed，而很多歐洲的航天航空和防務領域的企業，通常都會選擇UMS或者OMMIC。某些公司與特定的制造廠有戰略合作，其專有的工藝不向其它公司開放。例如美國GCS公司受ITAR（國際武器貿易條例）控制的公司，類似的美國公司還有Raytheon、MACOM和Qorvo。

5.高功率微波GaN技術發展趨勢

國外高功率微波GaN技術正處在一個快速發展并將逐步走向應用的重要時期，對現有公開的技術資料進行綜合分析可以看出未來發展趨勢包括：a.高功率高效率改進，包括基于金剛石襯底提高散熱能力和最大功率密度，采用新型場板結構改善晶體管電流崩塌效應提高輸出功率，采用堆疊結構提高功放電路電壓擺幅和輸出功率；b. 高頻太赫茲突破，包括等比例縮小技術提升特征頻率克服擊穿電壓降低、短溝道效應、漏延遲、寄生RC延遲惡化等，ED技術用于克服等比例縮小技術的一些限制；c. 單片集成ED模式，包括實現縱向縮小、低阻接觸、可制造自對準柵等；d. 更高集成度增強技術，ED工藝技術及支持片上系統SoC技術等。

6.結論

高功率GaN器件是近年來運用民用微波系統的核心技術。由于目前雷達、通信、武器研制、電子對抗，民用通信系統等領域對高功率微波GaN器件有著廣闊的需求，而現有關鍵核心設計技術集中在國外的研究機構中。因此開展高功率微波GaN器件的研發可滿足關鍵平臺的海量需求，形成規模效益，突破國外廠商的技術壟斷，從而增強我國國力。

[1]鄔海峰.功率晶體管建模及射頻與微波功率放大器設計[博士學位論文].天津:天津大學,2015.

[2]Y.F.Wu,et al.,40 W/mm double field-plated GaN HEMTs,Pro.of the 64th Device Research Conf.,Pennsylvania State,USA,2006:151-152．

[3]M. Micovic,et al.,GaN HFET for W-band power applications,in Proc.of IEEE IED,San Francisco,USA,2006:1-3．

[4]Y.Z.Yue,et al.,InAlN/AlN/GaN HEMTs with regrown Ohmic contacts and fT of 370 GHz,IEEE Electron Device Letters,2012,33(7):988-990．

[5]K.Shinohara,et al.,Self-aligned-gate GaN-HEMTs with heavily-doped n+-GaN Ohmic contacts to 2DEG,in Proc.of IEEE IED,2012:617-620．