氮化镓毫米波功率器件与电路研究进展

作者：祝杰杰，王鹏飞，秦灵洁，杜翔，易楚朋，周钰晰，马晓华，郝跃

（1. 宽禁带半导体国家工程研究中心，西安 710071；2. 西安电子科技大学微电子学院，西安 710071）

摘要：氮化镓毫米波功放具有工作频率高、输出功率大、功率转换效率高等优势，在新一代移动通信、高分辨毫米波成像雷达等领域具有广阔的应用前景。本论文从 基氮化镓毫米波器件、硅基氮化镓毫米波器件、E-W波段氮化镓毫米波器件和氮化镓MMIC电路等四个方面对国内外氮化镓毫米波功率器件与电路的发展进行了总结。最后，提出了未来在Ka-W波段高性能氮化镓毫米波器件与电路、硅基氮化镓毫米波器件及集成技术、超高频氮化镓方面开展更深入研究的建议。

引言

毫米波指的是频率范围30-300GHz的电磁波，5G通信、卫星通信和毫米波雷达等应用场合都需要用到毫米波波段。相比于射频与微波频段，毫米波频段的竞争力一方面表现在其极为丰富的频谱资源和大气吸收特性，这使得工作于大气窗口的收发机拥有大带宽，而工作于大气吸收峰的收发机不易被窃听；另一方面在于，毫米波频段的电路尺寸往往很小，可以实现单片微波集成电路（MMIC），其高集成度优势使得系统便于携带和隐藏。然而，相比于低频段，如此高频率的工作场合给电路和系统的设计带来了诸多挑战，尤其是功率放大器（PA）的设计，其主要指标包括输出功率Pout、增益（Gain）、功率附加效率PAE、带宽（BW）和线性度等。

常见的半导体工艺如GaAs、InP、SiGe和CMOS等都有成熟的工艺和良好的高频特性，可用于毫米波MMIC PA设计。对于发射机来说，其一大核心指标是覆盖范围，它由天线增益和PA输出功率共同决定，尽管总发射功率可以通过大量PA功率合成来实现，但晶体管的功率密度才是决定性因素。相比于以上工艺， 中的GaN HEMT工艺在功率密度、效率和带宽这三方面具有优势，GaN HEMT器件中的二维电子气（2-DEG）使得其可以工作在毫米波至亚毫米波频段，而GaN材料的宽禁带特性使得器件具有高功率密度。图1是各种工艺之间的对比，可以看到GaN工艺优势明显。

△ 图1：常见半导体技术在微波毫米波功率应用中的性能对比。

SiC基GaN毫米波功率器件研究进展

对于毫米波频段的功率放大器而言，输出功率、效率以及线性度是三个重要的指标。目前国外的HRL实验室、UCSB、IEMN以及国内的西安电子科技大学、中电55所、中电13所、中科院微电子所等单位在氮化镓毫米波功率器件的功率、效率、线性度提升方面开展了大量研究工作。

• 氮化镓毫米波器件功率性能提升

2001年南卡罗来纳州立大学首次报道了栅长为0.12μm的GaN毫米波功率器件，在29GHz下测得输出功率密度超过1W/mm^[1]。2004年日本NEC公司制作出1mm的大栅宽器件，测得毫米波频段的输出功率密度为5.8W/mm^[2]。此后GaN毫米波器件从材料、工艺和器件设计等方面不断优化，其功率性能也不断得到提升。如，法国的IEMN研究所在2018年利用C掺杂的缓冲层技术制备了面向Ka波段的功率器件，在40GHz脉冲测试下25V时的饱和输出功率达到7W/mm^[3]，该单位又于2019年利用3nm左右的AlN势垒层，制备得到的毫米波器件在在40GHz脉冲测试Vds=40V下的输出功率密度进一步达到8.3W/mm^[4]。美国UCSB于2021年利用N极性GaN异质结，使得毫米波GaN HEMT的饱和输出功率密度达到10.3W/mm。2022年美国雷神公司采用晶格匹配的ScAlN势垒层结合AlGaN帽层钝化技术实现40V下10.8W/mm@30GHz的功率密度^[5]。国内西安电子科技大学围绕毫米波GaN HEMT的功率特性开展了一系列原创性研究，采用如图2（a）所示的富硅SiN/Si₃N₄双层钝化工艺和肖特基欧姆复合漏结构，有效抑制了功率器件的电流崩塌效应以及栅脚处的峰值电场，在30 GHz，30V工作电压下输出功率密度达到8.5W/mm，峰值PAE为45.5%^[6]，由图2（b）可知，其研究结果与国际先进指标达到基本同步的水平。

△ 图2：（a）器件结构示意图；（b）Ka波段毫米波功率GaN器件的指标对比^[6]

• 氮化镓毫米波器件效率性能提升

2010年美国空军实验室采用晶格匹配的InAlN势垒材料制作出饱和电流接近1.4A/mm的器件，在20V工作电压下的峰值PAE达到43.6% @ 35GHz ^[7]。2016年III-V实验室的R. Aubry等人采用6.4nm InAlGaN势垒和AlGaN背势垒器件结构制作出栅长为150nm的毫米波器件，在30GHz工作频率和Vds = 20 V下的峰值PAE为42%^[8]。2019年法国IEMN研究所的K. Harrouche等人制备了3nm势垒厚度的AlN/GaN HEMT器件，在40GHz脉冲测试Vds = 10 V下的峰值PAE为65 %。2020年HRL实验室的J. S. Moon等人采用超薄势垒加缓变沟道的结构设计，在30GHz工作频率，Vds = 10 V下的峰值PAE达到75%，该指标也是目前毫米波器件的效率最高值^[9]。

• 氮化镓毫米波器件线性度性能提升

随着GaN射频技术研究的不断深入，其非线性特性引起的信号失真问题日益凸显，考虑到系统集成度以及功耗等系列问题，器件级线性化技术成为了重要的发展趋势。目前已经有双沟道结构、缓变势垒结构、纳米线沟道结构、场板调制结构以及MIS-HEMT结构等线性化技术被相继提出，但考虑到毫米波频段的应用需求，鲜有以上技术在毫米波频段下的应用实例。目前，美国UCSD的Woojin Choi等人将不同宽度的Fin结构集成在单只晶体管上，在30GHz下实现OIP3/PDC≥8.2 dB，但输出功率密度只有0.57 W/mm^[10]。UCSB在2021年采用N极性异质结，在30 GHz下的OIP3/PDC达6.7 dB，输出功率密度达到10.3W/mm，同时实现了高线性和大输出功率密度^[11]。西安电子科技大学基于阈值耦合技术的高线性毫米波GaN器件开展了多年研究，利用如图3所示的阈值耦合结构，使得器件的线性指标OIP3改善了7.5 dB。

△ 图3：阈值耦合结构氮化镓毫米波器件示意图

Si基GaN毫米波器件发展趋势

氮化镓射频功放器件作为国防装备、卫星通讯、移动通信基站射频前端系统的核心器件，有力推动了电子装备信息系统和5G技术的发展。随着通信和感知应用向更高频率、更大带宽、更高数据传输速度方向发展，终端、微基站用射频前端系统对高性能射频芯片提出了新的需求。硅衬底上氮化镓射频技术可兼具芯片性能、架构、成本等优点，非常有利于推动氮化镓射频技术未来的大规模应用，在5G终端与基础设施、低轨宽带卫星通信、云计算数据中心等领域具有广阔应用前景。

面向未来高频宽带移动通信终端和基础设施对高性能硅基氮化镓毫米波芯片的需求，需突破硅基强极化异质结外延材料、CMOS兼容的氮化镓毫米波器件工艺、低压氮化镓毫米波功放及集成芯片设计等关键技术，实现片上集成的硅基氮化镓毫米波芯片。这对于解决终端用射频前端芯片面临的带宽和效率瓶颈、功能与尺寸之间矛盾等难题具有重要意义。在移动通信基站射频前端芯片发展面临饱和的大背景下，该研究将进一步拓展氮化镓射频技术的应用潜能，并极大推动相关新兴领域的发展。

近年来西安电子科技大学在氮化镓的CMOS兼容制备工艺和终端应用的低压氮化镓射频器件方面取得了一系列突破。通过采用二次外延欧姆再生长技术，可以更加精确地减小器件的源漏间距，改善常规合金欧姆接触工艺中高温退火引入的金属的横向扩散问题。2023年，西安电子科技大学通过采用二次外延技术，利用MOCVD在欧姆区域再生长n+InGaN，制备了GaN基HEMT。与合金欧姆接触方式相比，该技术有效的减小了器件的欧姆接触电阻。如图4所示，欧姆接触电阻从0.60 Ω·mm（高温合金欧姆）减小到0.2 Ω·mm（欧姆再生长）。

△ 图4：（a）利用合金欧姆接触技术和欧姆再生长接触技术的器件结构简图（b）利用合金欧姆接触技术和欧姆再生长接触技术器件的TLM测试结果与拟合曲线

面向终端应用的强极化异质结材料和小尺寸器件设计给实现增强型工作带来了更大的障碍，这不符合终端用射频前端芯片设计紧凑化、简易化的发展需求。实现低损伤高效率的增强型器件，是氮化镓技术在终端应用领域中面临的重要挑战。西安电子科技大学利用强极化超薄势垒材料AlN作为GaN基HEMT器件的势垒层。采用对栅下的势垒层进行远程低损伤氧等离子氧化以及Fin结构刻蚀的方式，有效的减小了栅下二维电子气浓度，增加了栅极对沟道的控制能力，提高了器件的阈值电压，实现了器件的增强。图5展示了通过Fin结构的刻蚀并利用氧等离子体氧化栅下超薄势垒材料，得到的高击穿、高效率的增强型器件的特性表征。

△ 图5：（a）三维栅AlN/GaN HEMT器件的转移和击穿特性图（b）三维栅AlN/GaN HEMT器件的功率特性

E-W波段GaN毫米波功率器件

美国国防研究计划总局（DARPA）首次在其设立的NEXT项目中提出开发创新型的外延结构和工艺，目标是将器件尺寸缩小到极致，以推动GaN基毫米波功率器件逼近性能的极限^[12]。这一项目的设立成功催化了大量创新型技术的诞生，也将GaN HEMT的工作频率推至E-W波段。

在DARPA的支持下，2010-2019年间，美国HRL实验室就器件频率特性的提升开展了大量的研究，经历了三次迭代，落实了包括超薄AlN势垒、欧姆再生长、自对准浮空T型栅在内的多项关键技术。2011年所制备器件的关键尺寸已达到栅长20nm，源漏间距0.1μm的水平^[13]。2013至2015年间，截止频率（fT）和最大振荡频率（fmax）分别被优化到了454GHz^[14]和582GHz^[15]的水平。之后，A. Margomenos等人报导了基于超高频器件的MMIC电路，在83GHz下实现1.37W的输出功率，峰值PAE达到27%^[16]。

在NEXT项目的推动下，器件的频率特性几乎已经被开发到极限，更多的关注点集中在GaN HEMT的功率、效率和线性度等多项关键指标的兼容与折中。在此基础上，DARPA提出了新一阶段的DREaM项目。这一项目催化的较为典型的技术是N极性面GaN HEMT器件。W波段（94GHz）下，N极性GaN HEMT在功率密度和效率上的综合表现优于现有Ga极性GaN HEMT。以UCSB为代表，2020年，B. Romanczyk等人报道的N极性HEMT器件实现了8.85W/mm的输出功率密度，相应的功率附加效率达到27%^[17]。2021年，W. Liu等人在N极性HEMT器件上实现了33.8%的效率，输出功率密度达到6.2W/mm^[18]。之后，W. Li等人在蓝宝石衬底上制备N极性GaN实现了2.6W/mm的输出功率密度和43.8%的效率^[19]，以及5.8W/mm的输出功率密度和38.5%的效率^[20]。另一方面，HRL实验室的J. S. Moon等人在DREaM项目中延续了对Ga极性GaN HEMT的研究，提出一种缓变沟道GaN HEMT（GC HEMT）。较常规AlGaN/GaN HEMT，缓变沟道层的引入使器件的线性度和效率都有了突破性进展，在30GHz下OIP3达到36dBm, OIP3/Pdc达到17.5dB^[21]，PAE最高达到78%^[22]。在W波段应用上，GC HEMT实现了2.2W/mm的输出功率密度，峰值PAE达到50%。这一效率指标与UCSB最新报导的PAE=50.2%^[23]的结果相媲美。

西安电子科技大学^[24]在2021年报导了fT/fmax=157/334GHz的频率指标，采用电子束光刻技术实现半浮空T型栅，栅长达到70nm，所制备的器件在30GHz下PAE最高能达到53.8%，输出功率最大能达到4.6W/mm。2022年^[25]，西电报导了一款浮空倾斜场板栅器件，栅长达到了60nm，实现fT/fmax=177/393GHz，30GHz下PAE最高能达到52.5%，输出功率最大能达到4.6W/mm。此外，中科院半导体所^[26-27]在蓝宝石衬底上制备的InAlN/GaN HEMT，先后实现了fT/fmax=190/301GHz和fT/fmax=156/423GHz的频率特性指标。

GaN毫米波MMIC功放电路

受限于晶体管的物理极限和半导体的工艺限制，毫米波GaN MMIC难以实现和低频RF PA一样的高功率，高效率和大带宽特性，一些低频PA诸如推挽式和E类功放等设计方法也难以应用到毫米波MMIC上。同时，由于损耗的增加，GaN HEMT的输出功率和效率在毫米波频段内降低。在毫米波频段中，无源元件的损耗也较高。因此，在毫米波频段实现高输出功率更具挑战性。以下总结了目前在毫米波频段内GaN MMIC功放的代表性指标。

在40GHz频率下，采用100-nm GaN/Si HEMT工艺制作的MMIC PA，具有12W输出功率和30%的PAE（图6a）；在75GHz-110GHz频段内，采用100-nm GaN/SiC HEMT工艺制作的行波式功率放大器，该功放具有3W的饱和输出功率（图6b）；在90GHz-97GHz频带内，采用四路威尔金森和兰格耦合器进行功率合成的功放，该功放采用100-nm GaN/SiC HEMT工艺制作，具有6W输出功率及18% PAE（图6c）；在120GHz频率下，具有430mW以及16% PAE的100-nm GaN/SiC MMIC PA（图6d）；以及采用更先进的70-nmGaN/SiC HEMT工艺所实现的MMIC PA，其在205GHz具有70mW的饱和输出功率（图6e）。

△ 图6：几款典型的氮化镓MMIC功放芯片

总结及展望

氮化镓射频功放器件兼具高频率、高功率、高效率、大带宽等多方面的优点，作为射频前端系统的核心器件，有力推动了5G通信、卫星通讯等技术的发展。氮化镓毫米波技术未来发展将呈现以下特点：1）面向Ka-W波段高性能应用，进一步提高氮化镓毫米波器件的功率、效率、线性度和可靠性；2）面向氮化镓毫米波集成和产业应用需求，重点开展低成本大尺寸的硅基氮化镓毫米波材料、器件及异质集成技术研究，终端用低压氮化镓射频器件与芯片有望成为氮化镓技术应用新的增长点；3）探索新体系材料、新结构器件、新架构电路研究，突破现有氮化镓射频技术的物理极限、工艺极限、损耗极限，继续拓展氮化镓技术应用的频谱范围。

扩展阅读

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