S波段大功率SiC MESFET的设计与工艺制作

针对SiC功率金属半导体场效应晶体管如何在实现高性能的同时保证器件长期稳定的工作,从金属半导体接触、器件制造过程中的台阶控制、氧化与钝化层的设计及器件背面金属化实现等方面进行了分析;并结合具体工艺,对比给出了部分实验结果。从测试数据看,研制的微波SiC MESFET器件性能由研制初期在S波段瓦级左右的功率输出及较低的功率增益和功率附加效率,达到了在实现大功率输出的条件下,比Si器件高的功率增益和30%以上的功率附加效率,初步体现了SiC MESFET微波功率器件的优势,器件的稳定性也得到了提升,为器件性能和可靠性的进一步提升奠定了设计和工艺基础。     

S波段连续波输出功率20W的SiC MESFET

采用自主开发的SiC外延材料和工艺技术,相继实现了S波段连续波状态下输出功率瓦级和10 W的SiC MESFET。经过版图设计的改进和工艺条件的优化,取得了S波段连续波状态下输出功率大于20 W,功率增益大于12 dB,功率附加效率大于30%的SiC MESFET研制结果。器件的功率增益和输出功率较以往的研制结果均得到显著提高,器件的反向截止泄漏电流也大幅度降低。由于器件未采用内匹配结构,其体积也比一般内匹配器件的体积小。研制结果为多胞合成实现更大功率输出的器件创造了条件,也使S波段连续波大功率输出器件的研制水平上了一个新的台阶。     

S波段系列SiC MESFET器件研制

SiC材料具有宽禁带、高电子饱和漂移速度、高击穿电压、高热导率和相对低的介电常数等优点,使SiC MESFET在微波功率等方面的应用得到了快速发展。采用国产SiC外延片,解决了欧姆接触、干法刻蚀及损伤修复等一系列工艺难题;针对不同应用背景,研制出总栅宽分别为1、5、15、20mm系列SiC MESFET样管。在2GHz脉冲状态下,300μs脉宽、10%占空比、20mm栅宽器件单胞输出功率超过80W,功率密度大于4W/mm;15mm栅宽器件在3.1~3.4GHz频带脉冲功率输出超过30W。该研究结果为SiC器件的实用化奠定了基础。     

S波段SiC MESFET多胞大功率合成技术研究

优化了芯片版图结构,采用常规工艺制作了SiC MESFET大栅宽芯片。优化了管壳内芯片装配形式,采用电容及电感匹配网络提高了器件阻抗,提高了器件增益。设计并优化了3 dB电桥输入及输出匹配电路,保证了器件最大功率输出及工作稳定性。最终采用管壳内四胞合成及外电路3 dB电桥合成的方法,突破了S波段SiC MESFET多胞大功率合成技术,实现了器件脉冲输出功率达百瓦量级。四胞26 mm大栅宽芯片合成封装后的器件,在测试频率2 GHz、工作电压VDS为56 V、脉宽为50μs、占空比为1.5%工作时,脉冲输出功率为300.3 W,增益为9.2 dB,漏极效率为36.6%,功率附加效率为32.2%。     

SiC MESFET技术与器件性能

介绍了SiC MESFET器件的技术和性能。用SiC材料制造的MESFET的射频功率密度达到4.6W/mm，功率增加效率（PAE）达到65.7%，击穿电压超过100V，表明SiC器件具有高功率密度和高效率，在高功率微波应用中具有巨大的潜力。     

S波段10 W SiC MESFET的研制

采用在75 mm 4H-SiC半绝缘衬底上实现的国产SiC MESFET外延材料进行器件研制,在该器件的具体研制工艺中利用感应耦合等离子体干法腐蚀,牺牲层氧化等工艺技术,研制出2 GHz工作频率下连续波输出功率大于10 W、功率增益大于9 dB、功率附加效率不低于35%的MESFET功率样管,该器件的特征频率达6.7 GHz,最高振荡频率达25 GHz.对芯片加工工艺和器件的测试技术进行了分析,给出了相应的工艺和测试结果.     

Ku频段3W GaAs大功率MESFET

<正>GaAs MESFET以其良好的射频特性及高的可靠性,已广泛用于卫星通信及各种电子系统中。为满足各种整机应用的需要,南京电子器件研究所已研制出Ku频段大功率GaAs MESFET。 器件由该所的φ50mm GaAs工艺研制线承制,运用了先进的第二代GaAs加工技术,提高了器件参数的一致性及可靠性。该器件的芯片选用标准单胞的多胞并联的标准化结构,采用φ50mm GaAs单晶片上全离子注入的全平面工艺,有源层掺杂浓度为1.7×10~(17)cm~(-3),并采用稳定性好的多层/耐熔金属化结构。工艺中还采用了可控性好的干法生长与刻蚀,SiO_xN_y表面钝化保护,稳定性好且寄生参数小的“Г”形栅势垒,源空气桥互联,热特性好及寄生参数小的背面通孔,薄GaAs衬底和电镀热沉等先进工艺,有效地提高了芯片参数的均匀性和成品率,加快了器件的研制周期。     

GaAs MESFET中肖特基势垒接触退化机理的研究

本文对Ｔｉ／Ｍｏ／Ｔｉ／Ａｕ作为栅金属的ＧａＡｓＭＥＳＦＥＴ进行了四种不同的应力试验：１．高温反偏（ＨＴＲＢ）；２．高压反偏（ＨＲＢ）；３．高温正向大电流（ＨＦＧＣ）；４．高温存贮（ＨＴＳ）．通过ＨＲＢ，ΦＢ从０．６４ｅＶ减少到０．６２ｅＶ，理想因子ｎ略有增大．ＨＴＳ试验中ΦＢ从０．６７ｅＶ增加到０．６９ｅＶ．分析表明，这归因于界面氧化层的消失，以及Ｔｉ与ＧａＡｓ的反应；ＨＦＧＣ试验结果表明其主要的失效模式为烧毁，ＳＥＭ观察中有电徙动及断栅现象发生．ＡＥＳ分析表明。应力试验后的样品，肖特基势垒接触界面模糊     

C波段8W功率GaAs MESFET的设计和制作技术

采用自行研制的两只C波段5．2－5．8GHz 4W以上的GaAs MESFET功率营芯,通过设计适当的匹配网络、优化网络元件参数,结合工艺制作技术,实现了C波段5．2－5．8GHz 8W GaAs MESFET功率管。该功率管在5．2－5．8GHz频带内的功率增益约为7．0dB,1dB的压缩功率约为39dBm,功率附加效率约为30％。功率管的测量值与计算值基本吻合。     

等平面化SiC MESFET的研制

在原有设计以及工艺的基础上,采用了器件表面等平面化处理及侧壁钝化工艺,器件工作电压大幅度提高,截止漏电流降低约两个数量级,跨导提高1.5mS/mm。2GHz下测试,微波功率附加效率提高10%左右,增益平均提高了2dB,在VDS=60V的条件下单管功率输出达到了86.5W。经过内匹配和功率合成研制成大功率的SiC脉冲功率管的综合性能较好,在250W的输出功率下,器件仍然保持高达10.5dB的高增益,功率附加效率30%。台阶仪和扫描电镜观测表明,台阶高度已经大大降低,侧壁得到了钝化,尖锐突起和凹坑都已经变得平缓。     

S波段功率SiC MESFET(芯片)研制

介绍了一种S波段功率SiC MESFET芯片的研制技术。针对SiC材料的特点,对4H-SiC外延材料进行了设计和仿真,同时对Al记忆效应进行了研究,优化了4H-SiC外延生长技术。研究了栅长与沟道厚度纵横比(Lg/a)对短沟道效应和漏极势垒降低效应的影响。采用了凹槽栅结构和体标记电子束直写技术以及热氧化SiO2和SiNx复合钝化层设计等新制备工艺,实现了栅、漏泄漏电流的减小和源、漏击穿电压的提高。测试结果表明,功率SiC MESFET芯片在3.4 GHz频率下脉冲输出功率大于45 W,功率增益8.5 dB,漏极效率40%。测试条件为漏极工作电压48 V,脉宽100μs,占空比10%。     

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。     

S波段88W SiC MESFET推挽放大器研究

采用管壳内预匹配及外电路匹配相结合的方法,制作成功S波段高增益、高效率、大功率SiC MESFET推挽放大器。采用预匹配技术提高了器件输入、输出阻抗,优化了测试电路结构,成功消除了输入信号对栅极偏置电压的影响,提高了电路稳定性。放大器在脉宽为300μs、占空比为10%脉冲测试时,频率2GHz,Vds=50V脉冲输出峰值功率为88.7W(49.5dBm),功率增益为8.1dB,峰值功率附加效率为30.4%。     

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.     

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.     

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SiCMESFET．利用1mm栅宽SiC MESFET制成的微波功率放大器在2GHz64V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波段大功率GaAs PHEMT单片放大器

GaAs单片集成电路具有体积小、质量轻和可靠性高等特性,已经成为微波领域重要的器件。采用MBE技术生长出双面掺杂AlGaAs/InGaAs PHEMT结构的外延材料,研制了高效率的GaAs PHEMT器件,S波段功率附加效率大于55%。建立了基于EEHEMT的大信号模型,利用ADS软件搭建了有耗匹配的二级放大电路拓扑结构,进行最佳效率匹配,得到优化电路。采用4英寸(1英寸=2.54cm)GaAs0.35μm标准工艺研制了AlGaAs/InGaAs/GaAsPHEMT MMIC电路,测试结果表明,在测试频率为2.2~3.4GHz,测试电压VDS为10V时,输出功率大于12W,功率增益大于22dB,功率附加效率大于40%。     

大功率SiC MESFET内匹配技术及测试电路研究

采用管壳内匹配及外电路匹配相结合的方法,成功制作四胞合成大功率高增益SiC MESFET.优化了芯片装配形式,采用内匹配技术提高了器件输入、输出阻抗.优化了测试电路结构,成功消除了输入信号对栅极偏置电压的影响,提高了电路稳定性.四胞器件在脉宽为300 μs、占空比为10%脉冲测试时,2 GHz Vds=50 V脉冲输出功率为129 W(51.1 dBm),线性增益为13.0 dB,功率附加效率为31.4%.