国外GaN功率器件衬底材料和外延技术研发现状

GaN基功率器件的衬底和外延技术的发展对于器件性能的提升和成本的降低起着非常重要的作用.介绍了国外SiC基、Si基以及新型金刚石基GaN功率器件衬底材料和GaN外延技术的研发现状.重点讨论了大尺寸衬底技术(6英寸SiC衬底、8英寸Si衬底)、GaN HEMT与Si CMOS器件异质集成技术以及金刚石基GaN HEMT材料集成技术的研发进展.分析了GaN功率器件材料技术的发展趋势,认为更大尺寸更高质量衬底和外延材料制作、外延技术的改进、金刚石等新型衬底材料研发以及GaN基材料与Si材料的异质集成技术等将是未来研究的重点.     

基于片内热管理应用的碳化硅深孔刻蚀研究

针对传统SiC衬底GaN器件高功率密度工作时的热积累问题,开展基于芯片内部嵌入高热导率材料的GaN器件芯片级热管理技术研究。在实现工艺兼容性的基础上,采用反应离子刻蚀技术对GaN器件有源区下端的SiC衬底进行深孔刻蚀工艺研究,系统地分析了刻蚀气体、射频功率及腔室压强等工艺参数对刻蚀速率的影响,并结合能谱对刻蚀表面的质量和损伤进行分析。实验发现射频功率仅能影响刻蚀速率,而刻蚀气体和压强不仅影响其刻蚀速率,还影响其刻蚀表面质量。最终提出了一种基于反应离子刻蚀技术的SiC深孔刻蚀方法,对器件热管理和SiC深孔刻蚀技术具有重要的指导意义。     

微波功率器件的应用与进展

微波功率器件广泛应用于无线通信、雷达与电子对抗、军事装备以及医疗电子等系统中.本文介绍了微波功率器件的发展历程和应用领域,重点介绍了LDMOS、GaAs HV-HBT, SiC MESFET 和GaN HEMT等新型微波功率器件的特性与应用,并对下一代电子系统中的新型功率器件应用前景进行了讨论.     

基于国产外延材料的SiC基AlGaN/GaN HEMT器件研制

本文报道了基于国产外延材料的SiC基Al GaN/GaN高迁移率晶体管（HEMT）器件的研制,外延材料利用金属有机物化学气相淀积技术（MOCVD）生长,器件栅长0.8μm,输出电流密度达到0.94A/mm,在5.4GHz下,单指型管芯获得了3.1W/mm的连续波测试功率,与蓝宝石衬底的器件相比,由于自热效应的有效改善,输出功率能力大大提高.     

SiC和GaN电子材料和器件的几个科学问题

扼要地叙述了宽禁带半导体SiC和GaN电子材料和器件的发展状况,介绍了SiC多形体、AlGaN/GaN异质结极化效应、GaN器件的电流塌陷效应和陷阱效应、SiC和GaN器件的特征工艺问题(离子注入、金属化等)以及温度升高时SiC载流子的冻析效应等。     

GaN器件有望在中等耐压范围内实现出色的高频工作性能

1 罗姆看好哪类GaN 功率器件的市场机会? GaN(氮化镓)和SiC (碳化硅)一样,是一种在功率器件中存在巨大潜力的材料.GaN器件作为高频工作出色的器件,在中等耐压范围的应用中备受期待.特别是与SiC相比,高速开关特性出色,因而在基站和数据中心等领域中,作为有助于降低各种开关电源的功耗并实现小型化的器件被寄予厚望...     

金刚石衬底GaN HEMT研究进展

SiC衬底GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)综合了AlGaN/GaN异质结优异的输运特性与SiC衬底高导热性能,在高频、宽带、高效、大功率应用领域表现出显著的性能优势。但GaN外延材料中存在高密度的缺陷,影响了导电沟道的散热,散热问题成为影响GaN HEMT性能进一步发挥的主要障碍。本文分析了GaN外延材料高缺陷密度形成的原因,介绍了近年来国外正在开展的基于转移技术金刚石衬底GaN HEMT技术,解决GaN HEMT散热问题的研究进展。研究结果表明,基于转移技术的金刚石衬底GaN HEMT有望成为继SiC衬底GaN HEMT之后的下一代固态微波功率器件主导型器件技术。     

超短脉冲激光加工在微电/光互连领域的应用研究进展

超短脉冲激光凭借其脉宽窄、峰值功率高的特点,可以实现高精度材料生长、改性和去除等形式的加工,具有良好的材料适应性和工艺兼容性,在微电/光互连领域取得了开拓性应用进展,已成为近年来先进制造的新兴关键技术。本文简要介绍超短脉冲激光实现微光电子器件制造的基本机制,包括多光子还原、表面等离子体共振和双光子聚合等,重点阐述超短脉冲激光加工在微光/电互连领域的应用研究进展,并对超短脉冲激光加工在该领域的发展方向进行总结和展望。     

SiC衬底X波段GaN MMIC的研究

使用国产6H-SiC衬底的GaN HEMT外延材料研制出高工作电压、高输出功率的AlGaN/GaN HEMT.利用ICCAP软件建立器件大信号模型,利用ADS软件仿真优化了双级GaN MMIC,研制出具有通孔结构的GaN MMIC芯片,连续波测试显示,频率为9.1～10.1 GHz时连续波输出功率大于10 W,带内增益大于12 dB,增益平坦度为±0.2 dB.该功率单片为第一个采用国产SiC村底的GaN MMIC.     

晶体管级异质集成技术及其典型应用

晶体管级异质集成是后摩尔时代半导体微波器件技术发展的重点方向。介绍了针对平面和纵向两类不同结构器件分别开发的介质键合和金属键合两套外延层转移晶体管级异质集成工艺,研制出基于介质键合工艺的金刚石衬底GaN HEMT微波功率器件和基于金属键合工艺的SiC衬底GaAs PIN限幅器电路。测试结果表明,与常规的SiC衬底GaN HEMT器件相比,金刚石衬底GaN HEMT器件在高热耗工作下器件热阻减小超过50%,连续波工作输出功率和功率附加效率分别提高0.77 dB和5.6个百分点;与常规工艺的GaAs衬底限幅器相比,18～40 GHz SiC衬底GaAs PIN限幅器单片电路限幅电平基本一致,插入损耗改善约0.2 dB,耐功率能力提高3 dB以上。     

飞秒激光加工SiC/SiC复合材料厚板的孔型特征研究

为了探究飞秒激光加工SiC/SiC复合材料厚板的孔型特征, 采用光束同心圆填充扫描方式对厚度为4mm的SiC/SiC复合材料进行制孔实验, 分析了飞秒激光加工参数对入口直径、孔深、锥度等孔型特征的影响规律和影响机理。结果表明, 脉冲能量、重复频率、线重合度以及扫描速率对小孔入口直径影响较小, 但对孔深和锥度影响较大; 上述实验参数与光束扫描面积内的能量密度密切相关, 小孔锥度随能量密度增大而减小, 小孔深度则反之; 当采用最大脉冲能量130μJ、最大重复频率100kHz、最小扫描速率100mm/s、最大线重合度77%以及最小进给量0.1mm时, 小孔锥度达到最小值12.38°; 上层材料对光束的遮挡以及排屑困难导致深孔加工锥度不易控制。该研究可以为今后SiC/SiC超快激光制孔应用提供参考。     

SiC和GaN电力电子器件的研究进展

与传统的Si基器件相比,SiC和GaN器件具有工作温度高、击穿电压高、开关速度快等优势,因此SiC和GaN材料是制备电力电子器件的理想材料。总结了近年来SiC和GaN电力电子器件的研究进展,包括二极管,MOSFET,JFET和BJT结构的SiC器件,以及SBD,PN结二极管,HEMT和MOSFET结构的GaN器件。     

GaN功率器件应用可靠性增长研究

GaN功率器件是雷达T/R组件或发射功放组件中的核心元器件,随着器件的输出功率和功率密度越来越高,器件的长期可靠性成为瓶颈。文章对雷达脉冲工作条件下GaN功率器件的失效机理进行了分析和研究,指出高漏源过冲电压、栅源电压的稳定性以及GaN管芯的沟道温度的高低是影响GaN功率器件长期应用可靠性的主要因素,同时给出了降低漏源过冲电压、提高栅源电压稳定性以及改善GaN管芯的沟道温度的措施和方法。     

复合脉冲深度激光打孔的实验研究

为了进一步提高激光在金属厚板上深度打孔的速率,针对5mm厚不锈钢板,采用高峰值功率短脉冲串叠加大能量长脉冲的双光束复合激光打孔方法,建立了复合脉冲激光打孔的理论模型,提出大能量长脉冲激光束的主要作用是熔化金属,排出金属熔融物主要靠高峰值功率密度的激光脉冲串,并研究了脉冲能量、脉冲宽度、打孔方式等不同激光参量下的激光打孔效果。结果表明,与长脉冲激光单独激光打孔相比,复合脉冲激光打孔能大幅减小穿孔时间,对脉宽2ms、单脉冲能量2.9J的长脉冲,复合脉冲打孔速率提高2.3倍,所需能量减少20%,且脉冲能量越大,脉冲宽度越窄,打孔速率越快。此研究为复合脉冲打孔的激光器选择提供了依据。     

Enhanced functionality in GaN and SiC devices by using novel processing

Some examples of recent advances in enhancing or adding functionality to GaN and SiC devices through the use of novel processing techniques are discussed. The first example is the use of ion implantation to incorporate transition metals such as Mn, Cr and Co at atomic percent levels in the wide bandgap semiconductors to produce room temperature ferromagnetism. A discussion is given of the phase space within which single-phase material can be obtained and the requirements for demonstrating the presence of a true dilute magnetic semiconductor. The ability to make GaN and SiC ferromagnetic leads to the possibility of magnetic devices with gain, spin FETs operating at low voltages and spin polarized light emitters. The second example is the use of novel oxides such as Sc₂O₃ and MgO as gate dielectrics or surface passivants on GaN. True inversion behavior has been demonstrated in gated MOS-GaN diodes with implanted n-regions supplying the minority carriers need for inversion. These oxide layers also effectively mitigate current collapse in AlGaN/GaN HEMTs through their passivation of surface states in the gate–drain region. The third example is the use of laser drilling to make through-wafer via holes in SiC, sapphire and GaN. The ablation rate is sufficiently high that this maskless, serial process appears capable of achieving similar throughput to the more conventional approach of plasma etching of vias. The fourth example is the use of either ungated AlGaN/GaN HEMTs or simple GaN and SiC Schottky diodes as sensors for chemicals, biogens, radiation, combustion gases or strain. The sensitivity of either the channel carrier density or the barrier height to changes in surface condition make these materials systems ideal for compact robust sensors capable of operating at elevated temperatures.     

基于大信号模型的L波段400W高效GaN功率放大器设计

文章阐述了用精确的GaN Angelov模型设计了一款L波段400W内匹配率放大器.选用SiC衬底的GaN器件是为了获得大功率输出以及高效率性能.为了精确设计放大器,采用脉冲I-V测试和多偏置的S参数测试建立起高压GaN大信号模型.采用模型设计的GaN放大器输入输出电路集成在17.4mm×24mm的封装管壳里.最终采用单枚55mm栅宽GaN管芯设计的放大器在48V漏压,100μs脉宽,10%占空比偏置下在1.2~1.4GHz输出功率大于400W,功率增益大于15dB,最高功率附加效率达到81.3%,这是国内L波段400W微波功率放大器的最高效率报道,验证了模型的准确度,实现了极好的电路性能.     

High-voltage SiC and GaN power devices

The recent progress in the development of high-voltage SiC and GaN power switching devices is reviewed. The experimental performance of various rectifiers and transistors, which have been demonstrated, is discussed. Material and processing challenges and reliability concerns on SiC and GaN power devices are also described. The future trends in device development and commercialization are pointed out.     

Comparison of laser-wavelength operation for drilling of via holes in AlGaN/GaN HEMTs on SiC substrates

By using a frequency-tripled Nd:YVO₄ laser source (355 nm) for drilling through-wafer via holes in SiC substrates, we can reduce the surface contamination and achieve better smoothness inside the via holes compared to use of the more common 1064-nm Nd:YVO₄ laser. The sheet and contact resistance of AlGaN/GaN HEMT layers grown on SiC substrates were similar after formation of vias by 355-nm laser drilling to those of the undrilled reference sample. By sharp contrast, 1064-nm laser drilling produces significant redeposition of ablated material around the via and degrades the electrical properties of the HEMT layers.     

GaN HEMT的温度特性及其应用

对0.25 μm双场板结构GaN HEMT器件的温度特性进行了研究.负载牵引测试结果显示,GaN HEMT增益的温度系数为-0.02 dB/°C、饱和输出功率系数为-0.004 dB/°C.大的增益温度系数结合GaN HEMT 自热效应引起的高温升对实际应用特别是功率MMIC的设计带来了挑战.按常温设计的GaN功率MM...     

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.