電流垂直流動(dòng)集成大功率PIN限幅MMIC技術(shù)

彭龍新，戴家赟，王 釗，賈晨陽(yáng)

（1.南京電子器件研究所，南京 210016；2.微波毫米波電路與模塊國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

1 前言

為了保護(hù)雷達(dá)中收發(fā)(Transmitter/Receiver，T/R)組件[1]免受外來(lái)超大功率脈沖的照射而損壞，急需提高T/R組件中接收支路中限幅器的耐功率能力。限幅器[2]是有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)和電子對(duì)抗系統(tǒng)中的重要元器件，為了防止接收支路中的低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）因發(fā)射支路中的大功率放大器的泄露功率、天線(xiàn)反射功率或外來(lái)超大功率而燒毀，往往需要在LNA前面放置限幅器。限幅器的特點(diǎn)是，在其輸入端出現(xiàn)微波大功率時(shí)，自動(dòng)衰減微波功率至較低的功率電平；而輸入微波信號(hào)較小時(shí)，則可以使微波信號(hào)以較小的損耗通過(guò)。由于近年來(lái)GaN等大功率放大器的出現(xiàn)，雷達(dá)T/R組件中發(fā)射支路泄露到接收支路的功率大幅度提高，同時(shí)面對(duì)敵對(duì)雷達(dá)的高功率對(duì)面輻射，傳統(tǒng)的單片GaAs PIN限幅器(耐功率10～100 W)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，需要更大功率的限幅器來(lái)保護(hù)接收支路。為此，提出了一種異質(zhì)(也可同質(zhì))集成垂直P(pán)IN限幅器。限幅器中的PIN二極管縱向?qū)щ姡娏骶鶆蚍植迹蓸O大地提高限幅器的耐功率能力。其工藝過(guò)程為：①分別制作同質(zhì)PIN二極管和在SiC襯底上制作限幅器的匹配電路；②采用自停止技術(shù)減薄PIN晶圓襯底至10μm左右；③把整個(gè)薄圓片轉(zhuǎn)移到SiC襯底上，再采用Au-Au熱壓鍵合把含有PIN的薄晶圓與SiC襯底低溫鍵合，制成超大功率限幅器。為了使限幅器的性能最優(yōu)，本文研制了一種SiC襯底Si PIN異質(zhì)限幅器，選擇Si PIN二極管作為限幅器的核心器件，因?yàn)橄鄬?duì)于GaAs PIN而言，Si的開(kāi)啟電壓較小，可以使限幅器的輸出漏電平減小，而且少子壽命也較長(zhǎng)，限幅器的耐功率可以更高。選用SiC為襯底，主要是因其熱阻較小，有利于PIN二極管的散熱。

2 橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)對(duì)限幅器耐功率能力的影響

目前常見(jiàn)的微波單片集成電路(Microwave Monolithic Integrated Circuits,MMIC)限幅器，是把GaAs PIN二極管和匹配電路同時(shí)集成在GaAs襯底上，從而形成尺寸較小的GaAs單片限幅器，但是GaAs限幅器的耐功率能力受到了PIN橫向結(jié)構(gòu)的限制。2019年南京電子器件研究所研制的C波段限幅器采用雙路結(jié)構(gòu)，耐功率在150 W左右[3]，而TriQuint Semiconductor報(bào)道的C波段限幅器的耐功率是100 W[4]。一般X波段限幅器的耐功率在100 W左右[5]，Ka波段在15 W左右[6]，而且功率容量較難再提升。其原因主要是：①對(duì)于GaAs PIN單片限幅器來(lái)說(shuō)，其中的PIN二極管是橫向結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，電流在N+內(nèi)橫向流到二極管的陰極，而N+層的橫向路徑較長(zhǎng)，電阻較大，導(dǎo)電能力弱，最后電流集中到B點(diǎn)處，造成B點(diǎn)過(guò)熱而燒毀；②GaAs材料的少子壽命較短，只有5～10 ns，不能有效地渡越厚I區(qū)；③GaAs襯底導(dǎo)熱系數(shù)只有40～50 W/(m·K)，且較厚(一般100μm)，導(dǎo)熱能力低也嚴(yán)重限制了GaAs PIN限幅的功率容量。

圖1 傳統(tǒng)橫向GaAs基PIN二極管

而對(duì)于Si PIN二極管來(lái)說(shuō)，Si基襯底漏電，很難把匹配電路集成在Si基襯底上，因而基本沒(méi)有Si PIN二極管單片集成限幅器產(chǎn)品，一般只能用介質(zhì)板匹配電路與Si PIN二極管搭建限幅器混合模塊電路，因而體積較大，性能一致性較難控制到小范圍內(nèi)。傳統(tǒng)Si基分立PIN二極管雖為縱向結(jié)構(gòu)（如圖2所示），但襯底較厚(約100μm)，串聯(lián)電阻較大，厚襯底也不利于導(dǎo)熱。

圖2 傳統(tǒng)Si基分立PIN二極管

圖3是圖1的橫向PIN二極管的微分等效電路圖，將它等分成n個(gè)微小的PIN二極管D1、D2、...、Dn，且電流電壓特性相同；R1、R2、...、Rn是每個(gè)微小二極管電流流過(guò)的橫向N+寄生電阻，且R1=R2=...=Rn-1=R。由于工藝原因，陰極電極需要離二極管有一段距離，其串聯(lián)電阻為Rn。設(shè)二極管的總電壓為Vd，各微小二極管的電壓為Vd1、Vd2、...、Vdn，電流為id1、id2、...、idn。

圖3 橫向PIN二極管帶有寄生電阻的微分等效電路

限幅器中的PIN二極管在大注入時(shí)，二極管的電流Id與端電壓Vd的關(guān)系為[7]：

其中q為電子電荷，Da為雙極性擴(kuò)散系數(shù)，ni為I區(qū)本征濃度，d為I區(qū)厚度，La為雙極性擴(kuò)散長(zhǎng)度，F(xiàn)(d/La)為一個(gè)系數(shù)函數(shù)。則各微小二極管的電流為：

從圖3可知：

聯(lián)立上述2n個(gè)非線(xiàn)性方程解出2n個(gè)未知數(shù)：id1、id2、...、idn和Vd1、Vd2、...、Vdn。由式（2）、（3）、（5）可以看出id2=Id1exp[qid1R/(2kT)]＞id1，同樣id3＞id2，...，idn＞id(n-1)，即idn＞id(n-1)＞...＞id2＞id1。由此可見(jiàn)最靠近陰極處的微小二極管流過(guò)的電流idn最大，離陰極越遠(yuǎn)的微小二極管電流id1最小，因此橫向結(jié)構(gòu)中的PIN二極管往往在陰極邊緣燒毀。

例如，假設(shè)N+的厚度為1～2μm，摻雜濃度為(3～5)×1018/cm3，其橫向方塊電阻約為9Ω/cm，GaAs PIN二極管的長(zhǎng)度為10μm，陰極離二極管邊緣為3μm(Rn≈0.27Ω)，寬度為100μm，分為5個(gè)2μm的小二極管(R≈0.18Ω)，且建立二極管的模型[8-10]，那么每個(gè)微小二極管的I-V特性如圖4所示。在同一陽(yáng)極電壓下，最靠近陰極處的微小二極管流過(guò)的電流id5最大，離陰極最遠(yuǎn)的微小二極管電流id1最小。在DC 2 V時(shí)最邊緣的微小二極管的電流id5是最里面微小二極管電流id1的5.06倍(0.486 A/0.096 A)。

圖4 橫向PIN二極管的I-V特性

若在PIN的陽(yáng)極接CW 20 W＠3.3 GHz的微波功率，則id5的振幅是id1的1.5倍(429.4 mA/287.1 mA)，如圖5所示。可見(jiàn)內(nèi)外電流極不均衡，PIN離陰極最近的邊緣將首先燒毀。

圖5 電流橫向流過(guò)N+的微小PIN二極管的微波電流（輸入功率20 W＠3.3 GHz）

3 縱向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)對(duì)限幅器耐功率能力的提升

現(xiàn)在設(shè)計(jì)一種新型的垂直導(dǎo)電PIN二極管結(jié)構(gòu)，如圖6所示。該結(jié)構(gòu)在N+層下方直接蒸發(fā)金屬形成歐姆接觸，電流垂直流過(guò)PIN的N+層，然后橫向流過(guò)1μm厚的金屬電極（方塊電阻為0.025Ω），除了工藝需要增加N+層厚度到3μm左右外，其他參數(shù)都不變，則所有微小PIN的電流垂直流過(guò)N+的電阻為RN+=9Ω×(3μm×1.2μm)/(100μm×2μm)=0.162Ω；橫向流過(guò)金屬電極的電阻為Rm=5×10-4Ω；PIN邊緣到陰極的電阻Rmn=7.5×10-4Ω。其等效電路如圖7所示。

圖6 新型垂直結(jié)構(gòu)GaAs PIN二極管

圖7 垂直P(pán)IN二極管的微分等效電路

縱向PIN微小二極管的I-V特性如圖8所示，在DC 2 V時(shí)所有微小二極管的電流幾乎相等，即id1～id5=0.847～0.854 A，PIN二極管內(nèi)各處的電流非常均勻，總電流為4.248 A。由于id1～id5差異很小，在圖中5根曲線(xiàn)幾乎重疊成一根曲線(xiàn)。

圖8 縱向PIN微小二極管的I-V特性

從圖4和圖8可以看出，同尺寸的PIN二極管，垂直P(pán)IN的直流導(dǎo)電能力是橫向PIN的4.248 A/1.127 A=3.77倍。

圖9是施加微波功率30.34 W＠3.3 GHz時(shí)，每個(gè)微小PIN二極管的電流情況。5個(gè)二極管的導(dǎo)通電流id1～id5幾乎都是427 mA,而圖5中在微波功率僅20 W時(shí)，最邊緣的小二極管已到達(dá)相同電流427 mA。由此可知，由于縱向PIN導(dǎo)電均勻，微波導(dǎo)電能力是橫向PIN的1.517倍。由于id1～id5差異很小，在圖中5根曲線(xiàn)幾乎重疊成一根曲線(xiàn)。

圖9 垂直P(pán)IN微小二極管的微波電流（輸入功率30.34 W＠3.3 GHz）

4 集成縱向?qū)щ奝IN結(jié)構(gòu)的工藝實(shí)施與限幅器研制結(jié)果

為了得到最優(yōu)的限幅器性能（即既要耐功率大又要輸出漏電平小），選用如下PIN材料和結(jié)構(gòu)：Si PIN二極管和導(dǎo)熱優(yōu)良的SiC襯底（兼顧工藝兼容性或價(jià)格等因素，也可以是其他襯底）。Si PIN二極管的開(kāi)啟電壓(約0.7 V)比GaAs PIN二極管(1.2 V)小，所以由其組成的PIN的輸出漏功率小；Si PIN二極管的I-V曲線(xiàn)一般在GaAs的左邊，在相同電流下，Si PIN上的壓降小、功耗小、發(fā)熱小，所以Si PIN二極管的耐功率更大。根據(jù)功率要求，確定Si PIN材料的P+、I和N+的濃度和厚度，再設(shè)計(jì)實(shí)施工藝，得到異質(zhì)垂直P(pán)IN結(jié)構(gòu)，如圖10所示。圖中所示是2個(gè)PIN的串聯(lián)，每個(gè)PIN的陽(yáng)極(頂部)和陰極(底部)全是金屬歐姆接觸，因此是垂直結(jié)構(gòu)。制造出來(lái)的限幅器芯片如圖11所示，尺寸為3.3 mm×3.1 mm，在S波段測(cè)得的小信號(hào)插損約1.5 dB，輸入駐波小于2.3，輸出駐波約1.5，異質(zhì)集成大功率限幅器的小信號(hào)測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖10 異質(zhì)集成超大功率PIN結(jié)構(gòu)

圖11 異質(zhì)集成超大功率限幅器掃描電鏡圖

圖12 異質(zhì)集成大功率限幅器的小信號(hào)測(cè)試結(jié)果

同時(shí)進(jìn)行了大功率測(cè)試，測(cè)試該限幅器的耐功率和輸出漏電平，測(cè)試原理如圖13所示。其中的放大器約能輸出1000 W的功率(去除電纜等損耗，實(shí)際到被測(cè)限幅器輸入端約750 W)，通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)源的輸出功率和放大器的工作電壓來(lái)調(diào)節(jié)放大器的輸出功率。在被測(cè)限幅器前加一耦合器，檢測(cè)輸入功率Pin和反射功率，功率計(jì)1監(jiān)測(cè)輸入功率，功率計(jì)2監(jiān)測(cè)由限幅器反射的功率，功率計(jì)3監(jiān)測(cè)被測(cè)限幅器的輸出漏電平Pout。在3.5 GHz下，6#樣品的輸入功率從300 W到700 W，脈寬(Pulse Width，PW)為500μs，占空比(Duty Cycle,DC)為10%，持續(xù)時(shí)間10 min，測(cè)試結(jié)果如圖14所示，輸出漏電平Pout在10.3～11.8 dBm內(nèi)，隨輸入功率增加略有增大。

圖13 大功率限幅器的耐功率和輸出漏電平測(cè)試原理

圖14 6#樣品在3.5 GHz下的耐功率情況

另取一只21#樣品，在頻率3.5 GHz下，分別測(cè)量了不同輸入功率、不同脈沖下的耐功率情況，測(cè)試結(jié)果如圖15所示。輸入功率200 W(連續(xù)波功率）、500 W（脈沖功率，脈寬500μs～3 ms,占空比5%～30%）、600 W（脈沖功率，脈寬1～3 ms，占空比10%～30%）和700 W（脈沖功率，脈寬500μs，占空比5%）各10 min，監(jiān)測(cè)到輸出漏電平在12.5～13.8 dBm內(nèi)。每測(cè)完一次，取下限幅器在顯微鏡下觀察芯片，看是否有損傷或燒毀，再測(cè)試其S參數(shù)，看其性能是否下降。經(jīng)觀察和測(cè)量，被測(cè)限幅器在上述輸入功率和時(shí)間下，芯片完好，性能保持不變，說(shuō)明限幅器能承受上述大功率。

圖15 21#樣品在3.5 GHz下的耐功率情況

另外本文對(duì)限幅器進(jìn)行了紅外測(cè)量，在襯底溫度為70℃、輸入功率為44 dBm時(shí)的紅外測(cè)溫圖如圖16所示。從溫度-顏色圖可以看出限幅器中的PIN二極管在此功率下幾乎不發(fā)熱。

圖16 垂直P(pán)IN功率限幅器的紅外測(cè)溫圖

5 討論

(1)本文選用了Si PIN二極管和導(dǎo)熱優(yōu)良的SiC襯底來(lái)驗(yàn)證垂直P(pán)IN二極管的構(gòu)思，但在實(shí)際工程中，也許需要考慮工藝兼容性或價(jià)格等因素，也可以采用GaAs、GaN等PIN二極管或肖特基二極管；襯底材料也可以選用其他的襯底，如GaAs、陶瓷等，同樣可實(shí)現(xiàn)電流垂直流動(dòng)的限幅器。

(2)此技術(shù)與普通的PIN二極管的工作原理相同，但改變了電流分布。在橫向結(jié)構(gòu)中，電流是通過(guò)薄層N+橫向流到陰極，在靠近陰極處的N+電流密度過(guò)高，因而在較低功率下就可能燒毀。而垂直結(jié)構(gòu)中，電流是垂直流過(guò)薄層N+后直接到陰極金屬，因而縮短了路徑，且電流在二極管內(nèi)均勻分布，不集中在哪一點(diǎn)，可以通過(guò)更高的電流。

(3)由此技術(shù)制造的PIN限幅器和一般的限幅器工作原理相同，可以在更高頻率下使用。一般來(lái)說(shuō)，為了較小的插損，在高頻下都要選用較小的PIN二極管，因而限幅器的耐功率隨著頻率的增加而減小。

6 結(jié)論

根據(jù)提出的電流垂直流動(dòng)集成PIN二極管限幅器的構(gòu)思，設(shè)計(jì)了工藝方案和加工方法，通過(guò)自停止100 mm晶圓減薄、轉(zhuǎn)移和Au-Au低溫?zé)釅烘I合技術(shù)，成功研制了超大功率限幅器。其在頻率3.5 GHz下，能持續(xù)承受200 W連續(xù)波功率，300 W、400 W、500 W、600 W、700 W不同脈沖功率各10 min，且輸出漏電平僅10.3～13.7 dBm，耐功率比GaAs PIN限幅器提高了至少3倍，限幅漏電平減小了4～6 dB，耐功率的提升和漏電平的降低特別明顯。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了垂直Si PIN異質(zhì)集成的可行性和PIN二極管縱向?qū)щ姌?gòu)思的先進(jìn)性，極大地提高了限幅器的功率容量和功率承受能力，是將來(lái)大功率限幅器的發(fā)展方向。