4H-SiC MESFET工艺中的高温氧化及介质淀积技术

采用自主开发的4H-SiC高温氧化技术,并结合低压化学气相淀积方法,在器件表面形成较为致密的氧化层,降低了器件的反向泄漏电流,提高了器件的击穿电压,同时也提高了器件的输出功率及功率增益,为器件长期稳定可靠工作奠定了工艺基础。采用此技术后,单胞20 mm左右栅宽器件在2 GHz脉冲条件下(脉冲宽度300μs,占空比10%)输出功率达78 W,比原工艺的器件输出功率提高了20 W以上,功率增益提高了1.5 dB,达到8.9 dB左右,功率附加效率也从23%提升到32%,初步显示了该工艺技术在制备4H-SiC微波功率器件中的优势。

利用RELACS辅助技术制作“T”型栅

利用RELACS化学收缩辅助技术制作了i线三层胶结构的"T"型栅。首先利用水溶性的化学收缩试剂RELACS,涂在曝光完成的光刻图形上,然后借由混合烘焙让光刻胶中的光酸分子因受热而产生扩散运动并进入到RELACS试剂内,催化RELACS试剂,让RELACS试剂中的高分子与交链分子产生交链反应,使得光刻胶表面形成新的一层不溶于水的交链层而达到光刻图形收缩的目的。此方法增加了细栅光刻的宽容度,降低了细栅光刻制作的难度,极易将0.5μm的栅条收缩到0.3μm,甚至更小,不但有效地减小了栅长,而且提高了细栅光刻的成品率。RELACS技术可以应用于不同光刻胶类型的"T"型栅制作中。

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%。

0.25μm介质栅与非介质栅PHEMT的性能比较分析

为提高PHEMT性能,从改进PHEMT结构出发,采用介质栅器件结构,研制了0.25μm介质栅PHEMT器件,并与Win公司生产的0.25μm非介质栅器件的频率特性、开态击穿和功率特性进行了比较。介质栅器件选用了合适的栅凹槽的宽度和掺杂浓度,提高了开态击穿电压。这意味着可以在更高的电压下稳定的工作而不被烧毁。0.25μm介质栅器件的截止频率达到19GHz,开态击穿电压超过11V,功率密度超过1W/mm,表现出了较非介质栅器件更为优异的功率性能。最后分析了介质栅器件的优势和有待改进的方向,优化器件栅凹槽形貌,调整栅帽下面介质的厚度,使用双场板结构等可以进一步提升器件性能。

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。

Ku波段单片功率放大器设计与制作

介绍了一种Ku波段GaAs功率放大器芯片的研制过程。芯片采用电抗匹配电路结构,三级级联放大,末级采用多胞器件进行功率合成,实现了电路的高增益和所要求的功率输出;另外,还对元器件模型技术、GaAsMM IC测试技术等进行了相应描述。在芯片的研制过程中,利用ADS软件进行仿真及优化,利用电磁场仿真进行版图设计。在4英寸(100 mm)0.25μmGaAs PHEMT工艺线上完成芯片制作,在12.5～15.0 GHz的频率范围内,脉冲饱和输出功率Po大于34.7 dBm(脉宽100μs,占空比10%),功率增益Gp大于19.7 dB,功率附加效率PAE大于30%,功率增益平坦度小于±0.4 dB。该芯片可以应用到许多微波系统中。

L波段GaN HEMT器件的研制

基于标准工艺自主研制了L波段0．5μm栅长的GaNHEMT器件。该器件采用了利用MOCVD技术在3英寸（1英寸=2．54cm）SiC衬底上生长的A1GaN／GaN异质结外延材料，通过欧姆接触工艺的改进将欧姆接触电阻值控制在了0．4Ω·mm以内，采用场板技术提高了器件击穿电压，采用高选择比的刻蚀工艺得到了一定倾角的通孔，提高了器件的散热能力及增益。结果表明，采用该技术研制的两胞内匹配GaNHEMT器件在工作频率1．5～1．6GHz下，实现了输出功率大于66W、功率增益大于15．2dB、功率附加效率大于62．2％。

Ka波段高效率GaAs功率放大器MMIC

采用GaAs PHEMT工艺,研究了PHEMT器件材料结构和大信号建模,分析了如何提高电路效率,并利用ADS软件对电路进行了原理图与版图优化设计,成功研制了高效率Ka波段GaAs功率放大器MMIC。电路采用三级级联放大,各级选取合适的总栅宽,使用Wilkinson功率分配/合成网络,采用阻性网络消除奇模振荡,输入输出均匹配至50Ω。在36～40 GHz频带内测试,测试结果表明:饱和输出功率大于2 W,功率增益大于17 dB,功率附加效率大于20%,频带内最高效率高达25%,芯片尺寸3.7 mm×3.2 mm。

90nm T型栅工艺在高频GaAs PHEMT MMIC中的应用

采用PMMA/P（MMA-MAA）/PMMA三层胶结构,通过优化电子束直写电压、束流和显影等工艺参数,得到了理想的光刻胶形貌。利用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法实现了双凹槽栅结构。通过优化蒸发功率、蒸发时间及各层金属厚度,解决了栅掉帽的问题。开发了90 nm自对准双凹槽T型栅电子束三层胶光刻工艺技术。应用90 nmT型栅工艺制作了W波段GaAs PHEMT功率放大器及V波段Ga As PHEMT低噪声放大器。测试结果表明,在频率为90~96 GHz、源漏电压5 V、栅源电压-0.3 V、输入功率13 dBm时,功率放大器电路输出功率为20.8 dBm,功率增益为7.8 dB;在频率为57~64 GHz、源漏电压2.5 V、漏极电流55 m A时,低噪声放大器增益大于24 dB,带内噪声系数小于3.5 dB,验证了该工艺技术的可行性和可应用性。

高效率X波段GaN MMIC功率放大器的研制

突破了GaN MMIC功率放大器的设计、制造、测试等关键技术,研制成功X波段GaN MMIC功率放大器。设计及优化了电路拓扑结构及电路参数,放大器芯片采用了国产外延材料及标准芯片制作工艺。单片功率放大器包含两级放大电路,采用了功率分配及合成匹配电路,输入输出阻抗均为50Ω。制作了微波测试载体及夹具,最终实现了X波段GaN MMIC功率放大器微波参数测试。在8.7～10.9 GHz频率范围内,该功率放大器输出功率大于16 W,功率增益大于14 dB,增益波动小于0.4 dB,输入驻波比小于2∶1,功率附加效率大于40%,带内效率最高达52%。

高性能SiC整流二极管研究

在n型4H-SiC单晶导电衬底上制备了具有MPS(merged p-i-n Schottky diode)结构和JTE(junction termination extension)结构的肖特基势垒二极管。通过高温离子注入及相应的退火工艺,进行了区域性p型掺杂,形成了高真空电子束蒸发Ni/Pt/Au复合金属制备肖特基接触,衬底溅射Ti W/Au并合金做欧姆接触,采用场板和JTE技术减小高压电场集边效应。该器件具有良好的正向整流特性和较高的反向击穿电压。反向击穿电压可以达到1300V,开启电压约为0.7V,理想因子为1.15,肖特基势垒高度为0.93eV,正向电压3.0V时,电流密度可以达到700A/cm2。

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)、GaNHEMT与SiCMOS器件异质集成技术以及金刚石基GaNHEMT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。

SiC材料的ICP-RIE浅槽刻蚀工艺

介绍了用于SiC器件浅槽制作的ICP-RIE刻蚀原理,选用Cl2/Ar混合气体对SiC材料进行浅槽刻蚀,研究了ICP功率和RIE功率对刻蚀速率、刻蚀后表面粗糙度及刻蚀倾角的影响,得到了刻蚀速率、刻蚀后表面粗糙度及刻蚀倾角随刻蚀功率的变化规律。最终得到了用于SiC器件浅槽刻蚀的最优刻蚀条件。实验结果表明,RIE功率和ICP最优功率配比分别为12和500 W。该刻蚀条件应用于SiC MESFET制备中,进行了多凹槽栅结构的浅槽刻蚀,实现了多凹槽栅结构。不同深度栅凹槽的片内均匀性均达到了4%以内,片间均匀性也达到了5%,工艺稳定性及均匀性均达到了批量生产要求。

毫米波GaN基HEMT功率MMIC

基于标准的Si C衬底Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）工艺研制了毫米波段单片微波集成电路（MMIC）芯片。首先采用插入隔离层的方式得到复合沟道AlxGa1-xN/Al N/AlyGa1-yN/GaN HEMT结构。以EEHEMT模型作为粗糙模型,采用神经空间路线图的方法建立了人工神经网络模型,更好地表征了器件特性,提高了模型在毫米波下的精度。基于器件模型,进行了毫米波MMIC的设计,运用网络综合设计出简洁的电路拓扑和最优的宽带性能。芯片工艺采用0.2μm介质栅场板结构提高器件的微波性能。研制的2级功率MMIC在27-30 GHz频段,工作电压25 V时,输出功率大于2.6 W,功率附加效率大于15%,功率增益大于9 d B。

高效率GaN MMIC优化技术的研究

使用国产SiC衬底的GaN HEMT外延材料实现了大功率、高效率的GaN HEMT器件,建立了大信号模型,利用ADS软件建立了GaN MMIC的拓扑,仿真了驱动比对电路性能的影响。仿真结果表明,驱动比由2(电路1)增加到3(电路2),效率提高10%。工艺上分别实现了两种电路,测试表明,效率由25%(电路1)提高到30%(电路2),验证了仿真结果。电路2在测试频率为8～10 GHz时,脉冲输出功率大于21 W,增益大于15 dB,效率大于35%;频率为8 GHz时,输出功率最大值为25 W,效率最大值为45%,具有较好的性能。

AlGaN/GaN HEMT器件结构退化影响因素的研究现状

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件由于高压、大功率等应力条件导致的电学退化过程中往往伴随着结构退化现象产生,结构退化研究对提高器件可靠性起着重要的作用。介绍了近年来国外在高压、大功率、高温、加压时间及辐射等不同因素对GaNHEMT器件结构退化的影响方面的研究进展。发现GaNHEMT器件的栅边缘下方出现的凹点和裂纹等结构缺陷是高压、大功率、高频等许多应力条件下都会出现的普遍现象,且凹点和裂纹的退化程度随电学退化程度的加深而加大,并导致器件的可靠性下降。GaNHEMT器件结构退化现象的本质以及改进措施将是未来研究的重点。

f_T为350 GHz的InAlN/GaN HFET高频器件研究（英文）

采用再生长n^+GaN非合金欧姆接触工艺研制了具有高电流增益截止频率(f_T)的InAlN/GaN异质结场效应晶体管(HFETs),器件尺寸得到有效缩小,源漏间距减小至600 nm.通过优化干法刻蚀和n^+GaN外延工艺,欧姆接触总电阻值达到0.16Ω·mm,该值为目前金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制备的最低值.采用自对准电子束曝光工艺实现34 nm直栅.器件尺寸的缩小以及欧姆接触的改善,器件电学特性,尤其是射频特性得到大幅提升.器件的开态电阻(R_(on))仅为0.41Ω·mm,栅压1 V下,漏源饱和电流达到2.14 A/mm.此外,器件的电流增益截止频率(f_T)达到350 GHz,该值为目前GaN基HFET器件国内报道最高值.

超宽带SiC MESFET器件的研制

采用中国电子科技集团公司第十三研究所自主外延材料及标准工艺平台制作了SiC MESFET芯片,采用管壳内匹配及外电路匹配相结合的方法,制作了超宽带SiC MESFET器件。优化了管壳内匹配形式,采用内匹配技术提高了器件输入阻抗及输出阻抗,采用外电路匹配的方法对器件阻抗进行了进一步提升。通过对输出匹配电路的优化实现了超宽带功率输出。优化了外电路偏置电路,消除了栅压调制效应,提高了电路稳定性。栅宽5 mm器件,脉宽为100μs、占空比为10%脉冲工作,工作电压VDS为48 V,在0.8～2.0 GHz频带内脉冲输出功率为15.2 W(41.83 dBm),功率密度达到3.04 W/mm,功率增益为8.8 dB,效率为35.8%,最终实现了超宽带大功率器件的制作。

连续波80W大功率SiC MESFET

在高纯半绝缘(HPSI)衬底上外延生长了SiC材料,自主开发了SiC MESFET器件制作工艺,实现了单胞栅宽27 mm芯片的制作。优化了芯片装配形式,通过在管壳内外引入匹配网络提升了芯片输入阻抗及输出阻抗。利用管壳外电路匹配技术,采用管壳内匹配及外电路匹配相结合的方法对器件阻抗进行了进一步提升。优化了管壳材料结构,采用无氧铜材料提高了管壳散热能力。采用水冷工作的方式解决了大功率器件散热问题,降低了器件结温,可靠性得到提高。采用多胞芯片匹配合成技术,实现四胞4×27 mm芯片大功率合成。四胞芯片封装器件在连续波工作频率为2 GHz、Vds为37.5 V时连续波输出功率达80.2 W(49.05 dBm),增益为7.0 dB,效率为32.5%。

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%。