微波大功率SiC MESFET及MMIC

利用本实验室生长的4H-SiC外延材料开展了SiC MESFET和MMIC的工艺技术研究.研制的SiC MESFET采用栅场板结构,显示出优异的脉冲功率特性,20 mm栅宽器件在2 GHz脉冲输出功率达100 W.将四个20 mm栅宽的SiC MESFET芯片通过内匹配技术进行功率合成,合成器件的脉冲功率超过320 W,增益8.6 dB.在实现SiC衬底减薄和通孔技术的基础上,设计并研制了国内第一片SiC微波功率MMIC,在2～4 GHz频带内小信号增益大于10 dB,脉冲输出功率最大超过10 W.     

8.9W/mm高功率密度SiC MESFET器件研制

基于自主研发的碳化硅(SiC)材料外延技术,优化了材料各层结构及参数,减小了Al记忆效应,最终得到了高质量SiC外延片。采用自主研发成熟的SiC MESFET工艺平台,制作了多凹栅器件结构,优化了凹槽尺寸,采用细栅制作技术完成了栅电极制作,最终得到了不同栅宽的SiC MESFET芯片。突破了大栅宽芯片流片、封装及大功率脉冲测试技术,研制成功了微波功率特性良好的MESFET器件。微波测试结果表明,在2 GHz脉冲条件下,0.25 mm栅宽器件,输出功率密度达到8.96 W/mm,功率附加效率达到30%。单胞20 mm大栅宽器件,3.4 GHz脉冲条件下,功率输出达到94 W,功率附加效率达到22.4%。     

4H-SiC MESFET器件工艺

介绍了制作4H-SiC MESFET器件的关键工艺.通过改进工艺,采用半绝缘衬底的国产SiC三层外延片,制造出总栅宽为1mm,2GHz连续波下输出功率大于4W,小信号增益大于10dB的SiC MESFET.     

4H-SiC MESFET器件工艺

介绍了制作4H-SiC MESFET器件的关键工艺.通过改进工艺,采用半绝缘衬底的国产SiC三层外延片,制造出总栅宽为1mm,2GHz连续波下输出功率大于4W,小信号增益大于10dB的SiC MESFET.     

1mm SiC多指栅微波功率器件

研制了4H-SiC MESFET 1mm多栅器件.通过对SiC关键工艺技术进行研究,设计出初步可行的工艺流程,并且制作出单栅宽100μm,总栅宽1mm,栅长0.8μm的n沟道4H-SiC MESFET,其微波特性测试结果为:在2GHz,Vds=30V时,最大输出功率为1.14W,相应增益为4.58dB,功率附加效率为19%,漏极效率为28.7%.     

1mm SiC多指栅微波功率器件

研制了4H-SiC MESFET 1mm多栅器件. 通过对SiC关键工艺技术进行研究，设计出初步可行的工艺流程，并且制作出单栅宽100μm，总栅宽1mm，栅长0.8μm的n沟道4H-SiC MESFET，其微波特性测试结果为：在2GHz, Vds＝30V时，最大输出功率为1.14W，相应增益为4.58dB，功率附加效率为19%，漏极效率为28.7%.     

1mm SiC多指栅微波功率器件

研制了4H-SiC MESFET 1mm多栅器件.通过对SiC关键工艺技术进行研究,设计出初步可行的工艺流程,并且制作出单栅宽100μm,总栅宽1mm,栅长0.8μm的n沟道4H-SiC MESFET,其微波特性测试结果为:在2GHz,Vds=30V时,最大输出功率为1.14W,相应增益为4.58dB,功率附加效率为19%,漏极效率为28.7%.     

SiC MESFET微波功率器件的研制

利用本实验室生长的4H-SiC外延材料开展了SiC微波功率器件的研究.通过对欧姆接触和干法刻槽工艺的优化,研制出高性能的SiC MESFET.利用1mm栅宽SiC MESFET制成的微波功率放大器在2GHz 64V工作时,连续波输出功率达4.09W,功率增益为9.3dB,PAE为31.3%.文中还给出了SiC功率放大器在微波大信号工作时的稳定性的初步测试结果.     

S-Band 1mm SiC MESFET with 2W Output on Semi-Insulated SiC Substrate

介绍了用热壁反应炉在50mm SiC半绝缘衬底上制备的SiC MESFET外延材料.其沟道层厚度约为0.35μm,掺杂浓度约为1.7×1017cm-3.沟道和衬底之间的缓冲层为非有意掺杂的弱n型.欧姆接触用的帽层掺杂浓度约1019cm-3.器件制备采用了ICP刻蚀等技术.微波测试结果表明,1mm栅宽功率器件封装后在2GHz下输出功率达到了2W.     

在半绝缘SiC衬底上制备的S波段2W碳化硅MESFET

介绍了用热壁反应炉在50mm SiC半绝缘衬底上制备的SiC MESFET外延材料.其沟道层厚度约为0.35μm,掺杂浓度约为1.7×1017cm-3.沟道和衬底之间的缓冲层为非有意掺杂的弱n型.欧姆接触用的帽层掺杂浓度约1019cm-3.器件制备采用了ICP刻蚀等技术.微波测试结果表明,1mm栅宽功率器件封装后在2GHz下输出功率达到了2W.     

发展中的SiCOI技术

SiCOI技术是SiC材料与SOI技术结合而形成的一种新的微电子技术，它的产生与发展不仅推动SIC半导体技术的发展，还将弥补SI SOI技术应用的局限性，并将在高温、高频、大功率、抗辐射等电子学领域得到应用的发展。文章介绍了近年来SiCOI技术的最新进展和简要评述。     

S波段连续波SiC功率MESFET

利用国产SiC外延材料和自主开发的SiC器件工艺加工技术,实现了SiC微波功率器件在S波段连续波功率输出大于10W、功率增益大于9dB、功率附加效率不低于35%的性能样管,初步显现了SiC器件在S波段连续波大功率、高增益方面的优势。与以往的硅微波功率器件相比,在同样的频率和输出功率下,SiC微波功率器件的体积不到Si器件的1/7,重量不到Si器件的20%,其功率增益较Si器件提高了3dB以上,器件效率也得到了相应的提高。同时由于SiC微波功率器件的输入、输出阻抗要明显高于Si微波功率器件,在一定程度上可以简化或不用内匹配网络来得到比较高的微波功率增益,这就为器件的小体积、低重量奠定了基础,也为器件的大功率输出创造了条件。     

碳化硅材料在微电子机械系统中的应用

碳化硅材料包括单晶碳化硅、多晶碳化硅、无定形碳化硅等,由于其显著的材料特性,如耐热、耐磨、化学惰性和高硬度等,近年来在微电子机械系统(MEMS)领域受到越来越多的关注。应用特定的工艺条件将碳化硅材料制成MEMS器件,可以在某些特殊条件下使用,克服了常规材料本身的局限性,从而为碳化硅材料的应用开发了新的领域。追踪这一国际热点研究问题,针对以上几种不同形态材料,分别举例说明了它们在MEMS领域应用的进展情况。     

SiC电力电子器件对电力系统的影响

宽禁带SiC材料被认为是高性能电力电子器件的理想材料,比较了Si和SiC材料的电力电子器件在击穿电场强度、稳定性和开关速度等方面的区别,着重分析了以SiC器件为功率开关的电力电子装置对电力系统中柔性交流输电系统(FACTS)、高压直流输电(HVDC)装置、新能源技术和微电网技术领域的影响。分析表明,SiC电力电子器件具有耐高压、耐高温、开关频率高、损耗小、动态性能优良等特点,在较高电压等级(高于3 kV)或对电力电子装置性能有更高要求的场合,具有良好的应用前景。     

体积小重量轻的SiC微波脉冲功率晶体管

采用自主开发的工艺加工技术和设计方法,直接将两个微波SiC MESFET管芯在管壳内部进行并联,实现了器件在S波段脉冲状态下(工作频率2GHz,脉冲宽度30μs,占空比10%)输出功率大于30W、功率增益12dB、功率附加效率大于30%的性能指标。由于直接采用管芯并联结构,省略了内匹配网络,器件的体积和重量较以往的Si微波双极功率晶体管大为降低;采用高温氧化技术克服了传统MESFET工艺中PECVD介质产生较高界面态的不足,减小了器件的泄漏电流,提高了器件性能。器件的研制成功,初步显示了SiC微波脉冲功率器件在体积小、重量轻、增益高、脉冲大功率输出和制作工艺简单等方面的优势。     

Design of wideband hybrid silicon carbide single-stage power amplifier

RF wideband power amplifiers are desirable as they will reduce equipment, power consumption and operating cost for the RF communication infrastructure. For decades, the realization of single-stage broadband power amplifier has posed a significant challenge due to the electrical and thermal limitations of GaAs transistor technology. Silicon carbide (SiC) MESFET technology is a strong contender for such applications due to its superior properties. In particular, its high impedance reduces mismatch commonly encountered in such power amplifier.In this work, design of wideband hybrid single-stage power amplifier using a commercial 4H-SiC MESFET CRF24010 from Cree Inc is presented. The amplifier has been designed and fabricated for operating frequencies 650-1800 MHz, which is equivalent to more than 90% bandwidth, compared to only 3-4% bandwidth achievable using GaAs technology.     

SiC电力电子器件研究现状及新进展

由于硅材料本身的限制,传统硅电力电子器件性能已经接近其极限,碳化硅(SiC)器件的高功率、高效率、耐高温、抗辐照等优势逐渐突显,成为电力电子器件一个新的发展方向.综述了SiC材料、SiC电力电子器件、SiC模块及关键工艺的研究现状,重点从材料、器件结构、制备工艺等方面阐述了SiC二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、结晶型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)及模块的研究进展.概述了SiC材料、SiC电力电子器件及模块的商品化情况,最后对SiC材料及器件的发展趋势进行了展望.     

SiC新一代电力电子学的创新发展

进入21世纪,宽禁带半导体材料的发展对电力电子学产生了革命性的影响,SiC新一代电力电子学应运而生.从高频高效率开关应用、高功率密度、高压变换、高温工作、热管理和可靠性研究等方面介绍了近几年SiC电力电子学的应用创新.应用创新的内容包含:电路拓扑结构设计、优化设计方法、SiC功率器件和先进高频无源元件的采用、寄生参量的抑制、驱动电路设计、高温粘结与封装工艺、新冷却方法和极端工作条件的可靠性试验方法等.对SiC电力电子学的应用创新进行了综合评价.     

S波段脉冲大功率SiC MESFET

采用自主开发的3英寸(75mm)SiC外延技术和SiC MESFET的设计及工艺加工技术,成功地实现了S波段中长脉宽条件下(脉宽300μs,占空比10%),输出功率大于200W,功率增益大于11dB,功率附加效率大于30%的性能样管,脉冲顶降小于0.5dB,实现了大功率输出条件下的较高功率增益和功率附加效率及较小的脉冲顶降,初步显示了SiC功率器件的优势。器件设计采用多胞合成技术,为减小引线电感对功率增益的影响,采用了源引线双边接地技术;为提高器件的工作频率,采用了电子束写栅技术;为提高栅的可靠性,采用了加厚栅金属和国家授权的栅平坦化发明专利技术;同时采用了以金为主体的多层难熔金属化系统,提高了器件的抗电迁徙能力。     

国外军事和宇航应用宽带隙半导体技术的发展

SiC和GaN等宽带隙半导体以其固有的高频、大功率、高温和抗恶劣环境应用潜力,在替代传统的Si和GaAs等器件应用于军事及宇航系统装备方面具有无可比拟的技术优势.概述了以SiC、GaN和金刚石等为代表的第三代半导体器件技术的发展现状,介绍了国外发达国家在发展宽带隙半导体技术上值得借鉴的一些做法,着重讨论宽带隙半导体技术对宇航及军事装备产生的重要影响,并展望了宽带隙半导体技术在宇航及军事应用中的发展前景.