微波大功率SiCMESFET及MMIC

第2期2009年4月
Journal of C AE I T
Vol .4No .2Ap r .2009
元器件专题
收稿日期:2009201222 修订日期:2009203216
微波大功率S iC M ESFET 及MM IC
柏　松,陈　刚,吴　鹏,李哲洋,郑惟彬,钱　峰
(南京电子器件研究所单片集成电路与模块国家级重点实验室,南京　210016)
摘　要:利用本实验室生长的4H -Si C 外延材料开展了Si C MESFET 和MM I C 的工艺技术研究。

研
制的Si C MESFET 采用栅场板结构,显示出优异的脉冲功率特性,20mm 栅宽器件在2G Hz 脉冲输出功率达100W 。

将四个20mm 栅宽的Si C 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320W ,增益8.6d B 。

在实现Si C 衬底减薄和通孔技术的基础上,设计并研制了国内第一片Si C 微波功率MM I C,在2～4G Hz 频带内小信号增益大于10d B,脉冲输出功率最大超过10W 。

关键词:Si C MESFET;微波功率;宽带;MM I C 中图分类号:T N405 文献标识码:A 文章编号:167325692(2009)022137203
S i C M ESFETs and MM I Cs for M i crowave Power Appli ca ti on s
BA I Song,CHEN Gang,WU Peng,L I Zhe 2yang,Z HE NG W ei 2bin,Q I A N Feng
(Nati onal Key Laborat ory of Monolithic I ntegrated Circuits and Modules,Nanjing Electr onic Devices I nstitute,
Nanjing 210016,China )
Abstract:Research carried out in the lab in Nanjing Electr onic Devices I nstitute regarding Si C MESFET and MM I C technol ogy is described in this paper,using 4H 2Si C ep itaxial materials devel oped by the lab .According t o the research,Si C MESFETs with a gate width of 20mm can p r oduce a pulse power of over 100W at 2G Hz .Four Si C MESFET chi p s with a 20mm gate width are put t ogether via power co mbina 2ti on .The resultant device de monstrates a pulse po wer of over 320W ,a gain of 8.6d B compared t o an in 2dividual chi p.W ith the app licati on of Si C substrate thickness reducti on and thr ough hole technol ogy,the lab is able t o design the first Si C m icr owave 2po wered MM I C,with a s mall signal gain of more than 10d B in a 2～4G Hz frequency band,and a maxi m u m pulse power out put of more than 10W.Key words:Si C MESFET;m icr owave power;wideband;MM I C
0　引　言
Si C 具有高击穿电场、高热导率、高电子饱和漂
移速率等特性,适合制作微波大功率器件,能够满足
现代雷达和通讯系统不断增长的功率、效率,以及带宽要求。

报道的Si C MESFET 功率密度在S 波段最
高达8W /mm [1]
,功率附加效率(P AE )高达70%。

目前国际上Si C 微波大功率器件已经产品化,连续波输
出功率达80W [2]
,脉冲功率120W 。

Si C 微波功率MM I C 技术也已经发展成熟,Cree 公司研制的宽带Si C
M M I C 在1.2～3.5G Hz 带内脉冲功率超过30W [3]。

1　器件结构与工艺
使用热壁式CVD 外延设备在4H -Si C 半绝缘
衬底上生长了MESFET 结构外延材料。

外延结构如图1所示,半绝缘衬底上依次生长了p 型缓冲层、n
型沟道层和n +
欧姆接触层。

p 型缓冲层厚度为
0.5μm ,掺杂浓度2×1015c m -3。

n 型沟道层厚度
为0.3μm ,掺杂浓度3×1017c m -3。

n +
欧姆接触层
的厚度为0.2μm ,掺杂浓度2×1019c m -3。

Si C MESFET 的主要工艺步骤包括:台面隔离、n +
层及沟道层刻蚀、源漏极欧姆接触、栅肖特基接
2009年第2期
触、介质钝化、空气桥。

源漏极欧姆接触采用电子束蒸发的N i 为欧姆接触金属,在氮气氛围1000℃的高温下快速退火5～10m in,传输线测试显示比接触
电阻率通常低于5×10-6Ω・c m -2。

电子束蒸发的Ti/Pt/Au 为栅金属,使用剥离的方法形成栅条。

为
了提高器件击穿电压及高压下器件的微波功率[4]
,研制的Si C MESFET 采用了如图1所示的栅场板结构,其中栅长0.7μm ,场板长度为0.6μm 。

为了提高增益,Si C MM I C 采用了与微波大功率器件不同的T 型栅结构,栅长减小为0.5μm 。

无源器件包括溅射的薄膜电阻、M I M 电容,以及电镀的螺旋电感,其中M I M 电容采用PEC VD 淀积的Si 3N 4作为电容介质,方块电容为240pF /mm 2。

M I M 电容的击穿电压大于120V,满足Si C M M I C 高电压工作的要求。

在微带结构的Si C MM I C 的制作工艺中,最具挑战性的是与正面器件工艺兼容的Si C 衬底的减薄和通孔。

采用机械研磨和抛光将Si C 衬底减薄到80～100μm ,然后通过大功率I CP 刻蚀实现衬底的通孔,再经过背面金属化工艺完成正面器件的接地。

图1　S i C M ESFET 外延材料及栅场板器件结构
2　Si C MESFET
在微波大功率Si C MESFET 及MM I C 的研制中,同时制作了小栅宽器件用于直流特性监控和微波小信号测试。

100μm 栅宽Si C MESFET 的饱和电流密度为300mA /mm ,最大跨导35mS/mm ,夹断电压-12V 。

Si C MESFET 的栅漏击穿电压大于120V,允许器件在50V 甚至更高的漏电压下稳定的工作。

使用HP 8510C 矢量网络分析仪测试了200μm 栅宽Si C MESFET 从100MHz ～26GHz 的小信号S 参数,并计算出|h 21|和MSG/MAG,从而得出器件的电流增益截止频率f T 和最大振荡频率f max 。

对于栅长为0.7μm 的栅场板Si C MESFET,f T 和f max 分别为7GHz 为16GHz 。

而栅长为0.5μm 的T 型栅Si C MESFET,如图2所示f T 和f max 分别为8.7G Hz 和25.5G Hz 。

微波小信号的测试结果表明,研制的Si C MESFET 能够满足S 波段工作的要求。

研制的Si C MESFET 最大栅宽为20mm,芯片照
图2　栅长为0.5μm 的T 型栅S i C
M ESFET 的微波小信号特性
片如图3所示,由五个4mm 单元组成,单指栅宽为333μm 。

在2G Hz 漏极电压为60V 时微波功率特性的测试结果如图4所示,脉冲输出功率为80W ,功率增益8.8d B,脉冲宽度为100μs,占空比5%。

由于采用了栅场板,在漏电压超过60V 后器件的输出功率随电压升高继续增加。

当漏极电压为70V 时,脉冲功率超过100W ,功率密度达5W /mm 。

将四个20mm 栅宽的Si C MESFET 芯片通过内匹配技术进行功率合成,封装后的器件照片如图5所示。

该器件在2G Hz 漏电压70V 时的微波功率特性测试结果如图6所示,最高脉冲功率超过320W ,功率增益为8.6d B 。

这是目前报道的脉冲功率最大的Si C MESFET 功率管。

3　Si C MM I C
Si C MM I C 芯片照片如图7所示,采用两级Si C
8
31
　2009年第2期柏　松等:微波大功率Si C M ESFET及MM I C
图6　四个20mm S i C M ESFET合成器件在
2GHz漏电压70V时的脉冲功率特性
MESFET的设计。

推动级Si C MESFET的栅宽为
2mm,末级器件栅宽4mm,芯片尺寸为2.7mm×
1.0mm。

使用AuSn焊料将Si C MM I C芯片烧结在
铜载体上进行脉冲微波特性测试,测试的脉冲宽度
为100μs,占空比10%,两级Si C MESFET采用相同
的偏置电压。

图8显示了Si C MM I C微波小信号增益特性,
漏极电压为32V时,在2.0GHz到4.0GHz的频带
内小信号增益为10～12d B。

良好的宽带小信号增
益特性达到了Si C MM I C设计的预期。

当漏电压为
55V时,在2.5～3.0GHz Si C MM I C的脉冲功率达
10W以上,功率增益大于8dB。

Si C MM I C末级Si C
MESFET的栅宽为4mm,功率密度为2.5W/mm左
右,与Si C MESFET微波大功率器件的功率密度差
距较大。

由于没有采用场板结构,高电压下Si C
MM I C的输出功率随漏极电压升高的增幅较缓;另
外Si C MESFET大信号模型不够准确也是造成Si C
MM I C功率密度偏低的重要原因。

4　结　语
利用本实验室生长的4H Si C外延材料,研制了
高性能的Si C MESFET器件及宽带MM I C。

20mm栅
宽Si C MESFET在2G Hz漏电压为70V时脉冲输出
功率达100W,功率密度为5W/mm。

将四个20mm
栅宽的Si C MESFET芯片通过内匹配技术进行功率合
成,脉冲输出功率最高超过320W,功率增益为8.6d B。

上述结果充分体现了Si C MESFET高压大功率的性能
优势。

设计并制作了基于Si C MESFET的宽带微波功
率M M I C,在2～4G Hz带内小信号增益为10～12d B,
漏电压55V时带内最大脉冲功率达10W以上。

参考文献:
[1]N I L SS ON P,SΒOW M,ALLERST AM F,et al.I nfluence
of Passivati on Oxide Pr operties on Si C Field2p lated Buried
Gate MESFETs[J].Materials Science Foru m,2009,6002
603:110321106.
[2]SR I RAM S,WARD A,HE NN I N G J,AND ALLE N S T.
Si C MESFETs f or H igh2frequency App licati ons[J].Mate2
rials Research Society Bulletin,2005,30:3082311.
[3]PR I B BLE W,P ALMOUR J,SHEPP ARD S,et al.App lica2
ti ons of Si C MESFETs and Ga N HE M Ts in Power Amp li2
fier Design[J].I EEE M TT2S D igest,2002:181921822.
[4]ANDERSS ON K,SΒOW M,N I L SS ON P,et al.Fabricati on
and Characterizati on of Field2p lated Buried2gate Si C MES2
FETs[J].I EEE Electr on Device Letters,2006,27:5732575.
作者简介
柏　松(1975-),男,江苏镇江人,
博士,高级工程师,研究方向为碳化硅微
波功率器件和碳化硅电力电子器件,E2
mail:s onger@g ;
陈　刚(1975-),男,河南信阳人,工程师,研究方向为
碳化硅微波功率器件和碳化硅电力电子器件;
吴　鹏(1982-),男,江苏南通人,助理工程师,研究方
向为微波电路设计;
李哲洋(1979-),男,贵州六盘水人,工程师,研究方向
为碳化硅外延材料生长;
郑惟彬(1974-),男,安徽明光人,高级工程师,研究方
向为化合物半导体器件模型;
钱　峰(1969-),男,江苏无锡人,研究员,研究方向为微
波电路设计。

931。