AlGaN / GaN HEMTs-器件操作和应用概述

宽带隙半导体对于从功率调节到用于通信和雷达的微波发射器的电力电子应用的范围极具吸引力。在各种材料和器件技术中，AlGaN / GaN高电子迁移率晶体管(high-elec- tron mobility transistor)似乎最有前途。本文试图介绍技术和市场的现状，以期突出进展和剩余问题。

一，引言和市场分析

随着蜂窝，个人通信服务和宽带接入市场不断扩大，第三代（3G）移动系统越来越接近现实，射频（RF）和微波功率放大器开始成为人们关注的焦点。各种功率放大器技术正在争夺市场份额，例如Si横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)和双极晶体管，GaAs金属半导体场效应晶体管（MESFET），GaAs（或GaAs / InGaP）异质结双极晶体管，SiC MESFET和GaN高电子迁移率晶体管（HEMT，high-electron mobility transistor）。

表1.电力电子竞争材料特性表

表2 GaN器件的竞争优势

与竞争材料相比，GaN的材料特性如表1所示。表2中描述了GaN器件和放大器对商业产品的竞争优势。第一栏列出了任何电源技术所需的性能基准，而第二列列出了满足这一需求的GaN器件的使能特性。在每一个类别中，GaN器件都优于传统技术。最后一栏总结了系统级和客户的性能优势。突出的功能提供了最显著的产品优势。每单位宽度的高功率特性转换为更小的器件，不仅更容易制造，而且还提供更高的阻抗。这使得它们更容易与系统匹配，这对于GaAs中的常规器件来说通常是复杂的任务（例如，GaAs晶体管可能需要十倍大的匹配比，增加了整体复杂性和成本）。高压功能消除或至少减少了电压转换的需要。商用系统（例如，无线基站）在28V下工作，而低压技术需要从28V降压到所需电压。然而，GaN器件可以在28 V下轻松工作，最高可达42 V。由于这种高工作电压而产生的更高效率可降低对电源功率的要求并简化了冷却的要求，这是一个重要优势，因为冷却系统的成本和重量是高功率微波发射器成本的很大一部分。氮化技术也是蓝色，绿色和白色照明的关键推动因素。商业照明市场是一个数十亿美元的市场。虽然射频和微波应用的一些要求是不同的（例如需要半绝缘基板），但毫无疑问，采用重叠技术将有助于降低射频元件的开发成本并提供一定程度的杠杆率。

图1

图1. GaN晶体管技术的历史进展。 （a）AlGaN / GaN HEMT的功率密度与年份的关系。 （b）AlGaN / GaN HEMT的总功率与年份的关系。

如图1所示，AlGaN / GaN HEMT的功率密度和总功率的进展速度非常快。这使得在商业和国防部应用中考虑GaN HEMT的信心越来越高，而是一定会采用不是迟早会采用。与现有技术 - 基于Si和GaAs的RF和微波晶体管相比，GaN HEMT已经证明了一阶更高的功率密度和更高的效率。因此，对于相同的输出功率，使用基于GaN的器件代替传统器件可以实现器件尺寸的十倍减小。图2的示意图说明了这种情况，其中复杂模块可能被基于GaN的较小模块替代。在这种情况下，具有更高的每单位晶片GaN的功率不仅会转化为更低的芯片成本，而且还有助于通过减少/消除功率合路方式来降低系统成本。

图2

图2.说明GaN优于现有技术的优势示意图。

图3. GaN HEMT的应用。

图4.基本的HEMT结构

上述技术优势源于GaN宽带隙的组合和AlGaN / GaN异质结构的可用性，其中可以同时实现高电压，高电流和低导通电阻，从而实现高功率高效率操作。

此外，宽带隙提供坚固可靠的技术，能够实现高压高温操作。这开辟了几个工业，汽车和飞机应用，如电力和高压整流器和电源转换器。一些可以成为GaN目标的商业和军事市场如图3所示。

根据Strategies Unlimited最近的一项调查，预计整个GaN电子器件市场将率先进入美国市场。

到本十年结束时将达到5亿美元。射频和微波应用可能是GaN器件市场的最大份额。 GaN HEMT针对军事和商业应用。前者包括雷达（船载，空中和地面）和高性能空间电子设备。后者包括基站发射机，卫星频段，频段非常小的波形终端和宽带卫星，本地多点分配系统和数字无线电等。

II.器件的结构和材料问题

图4显示了基本HEMT的结构。缺少GaN衬底需要在相容的衬底（通常为蓝宝石和SiC）上进行异质外延，但是AlN，Si和诸如LiG的复合氧化物也可能出现作为衬底材料。外延层可以完全通过分子束外延或金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长，或者通过气相外延生长的电阻Ga​​N缓冲生长，尽管后者目前不太常见。在如此严重的晶格失配基板上的异质外延使得成核层（nucleation layer）成为生长中最关键的方面之一。以蓝宝石为基板，成核层由在低温（典型值为600℃）下沉积的GaN或AlN组成，然后加热到主层的生长温度。 GaN和AlGaN层通常在1000℃下以1um / h的生长速率生长。 SiC上的成核层通常使用在900℃下生长的AlN进行。

图5.Ga极性或Ga面GaN的晶体结构

图6

图6.（a）带图和（b）压电极化 vs（Al，Ga，In，N）系统的晶格常数。

图7

图7.（a）由AlGaN和GaN之间的净自发极化和压电极化之和引起的AlGaN / GaN界面处的净正电荷。 （b）由GaN上的InxGa1-xN的生长引起的压缩应变引起的InGaN~GaN界面处的净负电荷。

图8

图8

图8.（a）如果极化偶极子被表面孔气体部分终止时的AlGaN-GaN HEMT的能带图。

（b）如果极化偶极子被表面深供体部分终止时的AlGaN-GaN HEMT的能带图。

图9

图9.栅极上80 us脉冲模拟的大信号交流和直流HEMT特性之间的色散。

图10

图10.提出的大信号色散机制。 负偏压下表面陷阱的占据。

主导器件行为并且还可以确定膜中的缺陷密度的物理效应是GaN和AlGaN的极性。图5显示了Ga极性或Ga面GaN的晶体结构。目前，所有高质量的材料都是以这种极性生长的。图中显示了自极化的影响。 （Al，Ga，In，N）系统的能带图和压电常数与晶格常数的关系如图6所示。由Al x Ga1-x N在GaN上生长引起的拉伸应变导致压电极化Ppz增加给出的净自发极化Psp给出为：

上式P(x)是净总极化。 这导致AlGaN / GaN界面处的净正电荷，如图7（a）所示。 由Inx Ga1-x N在GaN上生长引起的压缩应变在InxGa1-xN~GaN界面处引起净负压电极化电荷，如图7（b）所示。 电荷的大小遵循下面的方程：

内置极化偶极子的最大力矩大约等于：

如图8（a）中的能带图所示。 然后电荷分布由极化偶极子+-Qpai和相对偶极子组成，该偶极子包括表面空穴气体和异质界面ns处的二维电子气（2DEG）。 在实践中，实验表明，在通过深表面供体的电离形成表面空穴气体之前，2DEG被诱导，导致电荷分布，如图8（b）所示。 这里，极化偶极子由带正电荷的表面施主（深度EDD和浓度N+DD）和2DEG屏蔽。

图11

图11. SiN钝化消除了减小的沟道电流和更高的导通电阻（色散的症状）。

III.器件的制造和性能

AlGaN / GaN HEMT的器件制造（如图4所示）从有源器件区域的定义开始。这可以通过Cl2 来mesa蚀刻或通过离子注入来确定。接下来，通过首先在源区和漏区中部分蚀刻AlGaN，沉积欧姆金属并在900℃下退火来形成欧姆接触。尽管Ti / Al / Ni / Au是优选的元素，现在正在研究基于Ta的欧姆接触，以改善其形态。接下来，通过Ni / Au冶金的剥离来限定栅极。目前正在GaN系统中研究通常用于复合半导体技术的栅极凹陷的效应。通过沉积SiN钝化层完成器件制造。该层用于消除HEMT的大信号交流电（ac）和直流（dc）特性之间的色散的关键目的。效果如图9所示，其中交流曲线是通过将器件偏置为夹断并试图通过在曲线跟踪器上利用80us栅极脉冲使栅极脉冲来恢复全通道电流而获得的。最大交流电流小于直流电压，差值称为色散。这种效应可以通过图10所示的机制解释（虽然目前正在讨论其他合理的解释）。当器件被偏置为夹断时，来自栅极的电子被注入到需要的空表面供体中，以维持2DEG。这些电子捐赠者的补偿减少了2DEG。在交流驱动下，由于供体陷阱的长时间恒定，电子不能响应，导致沟道电流减小和导通电阻增加（色散的症状）。 SiN钝化消除了这种影响，如图11所示，尽管确切的机制存在争议。

IV.器件和电路性能

通常，AlGaN / GaN HEMT在蓝宝石和SiC衬底上都表现出6-9 W / mm的高功率密度，接近传统HEMT的一个数量的改进，并证实了由理论预测其极大的潜力的器件技术。然而，这些功率密度值通常在5-9dB的高增益压缩下实现，这按时将出现不期望的非线性。这种现象可以通过陷阱来解释，尽管这些陷阱在很大程度上已经减少，但仍存在于这些器件中。最近，寻求更高质量的AlGaN / GaN HEMT外延层的努力已经导致大信号特性的显着改善。这些器件通过MOCVD在半绝缘SiC衬底上生长。外延层由绝缘GaN缓冲层和轻掺杂AlGaN层组成，以为二维气体提供电荷以及用作肖特基栅极势垒（Schottky-gate barrie）。 Al的比例大于30％。特别注意确保所有表层的高质量结构。典型的移动性能从之前的1200 cm^2 / V*s左右提高到1500 cm^2 / V*s，同时2DEG密度高达1-1.2x 10^12/ cm^2。通过光学步进光刻获得的栅极长度为0.6μm。栅极宽度为2*150 um或300um，采用U形布局。

图12

图12. 300 um宽AlGaN / GaN HEMT的功率性能，功率密度为10.3 W / mm，对于任何相同尺寸的FET来说都是最高的。 增益压缩为3.4 dB; 漏极偏压为45V。器件尺寸：300±0.6mm^2。

图13

图13. 8 GHz时的功率扫描系列，偏置为10,15,20,25,30,35,40 V.在宽电压范围内实现了相对平坦的PAE平台56％-62％。器件尺寸：300 X 0.6 mm^2。 在35 V下进行调谐以获得最佳PAE。

图14

图14.包含8-mm AlGaN / GaN HEMT的50W GaN基倒装（flip-chip）芯片放大器IC的照片。 电路尺寸约为10毫米 X 7毫米。

器件显示出2.5ohm-mm的导通电阻（在减去由于导线和探针引起的电阻之后）和1A / mm的电流密度。击穿电压为80 V，电流增益和功率增益截止频率分别为25dB和60 GHz。 ATN微波负载牵引系统用于8 GHz的大信号表征。图12显示了在调谐功率时300um宽器件的晶圆（onwafer）测量结果。功率密度为10.3 W / mm，功率附加效率为42％（PAE）。这种增加的功率密度是在3.4dB线性增益减小的增益压缩下获得的，这归因于由于改善的外延质量和表面钝化导致的俘获效应（ trapping effect）的减少。由于捕获效应（ trapping effect）随着特定器件尺寸的电场或偏置电压的增加而恶化，因此作为偏置电压的函数的器件的性能可以用作该现象的有效量度。图13显示了AlGaN / GaN HEMT在10至40 V的宽电压偏置范围内的测量结果，其中调谐（tuning）是为了获得最佳效率。可以看出，在整个宽电压范围内实现了56％-62％的相对平坦的PAE效率，说明了对各种应用的电源要求的灵活性。在40V偏压下，同时获得了8.3 W / mm的高功率密度和57％的PAE。在如此高的偏压下实现高PAE的能力证实了这些器件的捕获效应的降低。同时获得具有高功率的高PAE对于系统应用是必不可少的，因为处理低效放大器中产生的热量可能是非常困难的。

V.基于GaN的放大器

基于GaN的功率放大器的设计与传统的基于GaAs的功率放大器的设计明显不同，在相同的输出功率额定值下，输入和输出阻抗变换比率都会大幅降低。栅极长度为0.6 um，最大漏极电流为1A / mm，击穿电压为80 V，AlGaN / GaN HEMT的输入电容典型值为2.7 pF / mm，与GaAs基HEMT相似，最佳输出负载为75 oHmmm，约为GaAs HEMT的两倍。由于GaN HEMT在相同输出功率下的功率密度是其十倍，因此输入转换率低十倍，而输出比GaAs HEMT低二十倍。对于需要数毫米到厘米栅极外围的高功率放大器，这种阻抗变换的减少意味着电路匹配简单。另一个设计差异在于这些器件的高工作电压，这要求片上电容器具有更高的额定电压。

图15

图15. 8-mm AlGaN / GaN HEMT的I-V特性，显示最大电流为8A。大部分表观导通电阻是由于导线和探针的电阻引起的。

下面说明了一个C波段功率放大器，以显示使用AlGaN / GaN HEMT的优势。考虑到器件不均匀性，驱动不均匀性和电路损耗，选择8mm的总栅极外围以实现50W输出的设计目标。在输入端，使用电容 - 电感 - 平衡 - 电阻网络将电容性栅极阻抗转换为带宽内的约1.5oHm的实际值。然后通过多个网络将其转换为50输入阻抗。在输出端，8 mm宽器件的功率负载约为7.5 oHm（假设偏置电压为35 V，拐点电压为5 V），转换为50 oHm电路输出。该电路布置在共面波传输线系统中，并使用倒装芯片集成电路方案（FC-IC）构造。电路基板是AlN，其上所有金属 - 绝缘体 - 金属电容器，金属电阻器和空气桥互连被制造为集成部件。将器件切割并倒装芯片粘合到电路基板上，以实现最佳的电气和热接口。完成的FC-IC放大器如图14所示。器件的输出特性如图15所示。8 A的最大电流表示令人满意的电气缩放，这对于获得所需的输出功率至关重要。当偏置电压高于25 V时，放大器的中频小信号增益为14.5 dB，接近16 dB的仿真结果。使用0.5mS脉冲宽度和5％占空比进行脉冲功率测量。当偏置为29V时，6GHz的输出功率为35W，38V时增加到49W。在39V时，记录的输出功率为51W，频率为6GHz，如图16所示。栅极宽度仅为8 mm的固态FET的功率水平。相应的功率密度为6.4W / mm。对于传统的基于GaAs的FET技术（HEMT或MESFET）中的相同输出值，器件栅极外围将为80 mm，并且需要从0.15oHm到50oHm的具有挑战性的输入阻抗变换！

VI.总结与结论

虽然GaN器件和电路技术可能会在商业领域爆发，但不应忽视市场进入时存在的某些风险或障碍。 GaN相对于硅和GaAs的相对技术不成熟使得长期可靠性等问题无法解决。市场对接受新技术的吸引力可能较弱。例如，在最终部署这些系统时，可能很难及早进入某些产品（如3G基站放大器）的设计周期，成为首选技术。最后，相对较高的初始成本将继续成为一个问题。在半绝缘SiC衬底上已经实现了GaN的大多数有希望的结果，其目前仅在2英寸直径下可商购获得。然而，晶圆供应商正积极致力于更高直径的晶圆。

图16

图16. GaN FC-IC在6 GHz时的功率扫描，峰值输出为47.1 dB或51 W，是迄今为止8 mm固态FET的最高输出功率。

考虑到所有这些因素，整体性能优势 - 早期插入GaN的标签必须引人注目，以证明更高成本的产品是合理的。最初，GaN将成为一种替代技术，并试图从现有技术中获取市场，包括现有的基于固态Si和GaAs的解决方案，以及高功率微波真空管。最终，基于GaN的晶体管的紧凑尺寸将导致更低成本的产品。这将提高系统效率，降低系统成本并扩展市场应用。

（完）