GaN微波功率器件美国、日本、欧洲研究动态

Keywords：GaN device research and development
1引言
新型半导体材料和器件的研究与突破，常常带来新的技术革命和新兴产业的发展。以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料，是 继以硅（Si）为代表的第一代半导体材料和以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料之后，在近十年迅速发展起来的新型半导体材 料。GaN材料具有宽带隙、大电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点，特别适合制作高频、高效率、 耐高温、耐高电压的大功率微波器件，基于GaN的AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）具有输出功率密度大、耐高温、耐辐照等特 点，能满足下一代电子装备对微波功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣条件（更高温度）下工作的要求。可广泛应用于微波 毫米波频段尖端电子装备，在民用通信基站等领域也有广泛的应用，越来越受到高度重视。GaN器件是目前全球半导体研究的前沿和热 点，是各国竞相占领的战略技术制高点。
b. T1G6001528-Q3：微波功率晶体管：具有带宽覆盖范围大、效率高等特点，输出功率18W，功率附加效率达到50%，最高工作频率 6GHz；适用于军用无线通信系统、干扰机、军用及民用雷达系统、航空系统、测试仪器以及宽带或窄带放大器；
c.TGA2576功率放大器：在2.5GHz~6GHz下可提供30W的饱和输出功率，功率附加效率为30%，小信号增益25dB；适用于电子武器装备。
550
5 400
450
5 95 70 30 30 5 >1000
2.2.2 目前进展
2011年6月，TriQuint公司在GaN方面已取得极大的进展： TriQuint半导体公司成立于1985年通过向全球主要通信公司提供高性能的射频模块、元件和晶圆代工服务;
⑴ 技术方面 采用砷化镓(GaAs)、氮化镓 (GaN)、声表面波 (SAW) 和体声波 (BAW)技术设计、开发和生产先进的高性能射频解决方案满足全球客户 需求。我们是市场领导者专门为移动设备3G和4G蜂窝基站WLAN WiMAXGPS 国防与航 空等领域的客户提供各种服务。
3.1 项目内容和目标
⑴ GaN材料和晶圆技术的开发
该任务由丰田公司负责实施。研究内容为开发高迁移率、高耐压、低残留载流子浓度的高品位GaN晶体生长技术，开发出GaN膜厚均 一、最佳Al浓度控制的GaN晶圆生长技术和实用化的2英寸、4英寸外延片制作技术。
⑵ GaN晶圆工艺评价、分析技术的开发
该任务由立命馆大学、古河电气株式会社、三菱电子、日立电缆和松下电器电子、阿尔伐克、住友化学和产业技术综合研究院 （AIST）负责，其研究内容和目标为：HFET工作时晶体管内部电场分布测定技术、温度分布分析技术、GaN晶体缺陷评价技术以及GaN晶体 管失效机理和高频HFET的相关性能。
第2阶段：先进的强型和耗尽型工作模式的氮化镓电子器件。进一步提高增强型和耗尽型工作模式下器件的速度，具备将其集成到中等 规模的逻辑电路（百只器件的数量级）的能力。
第3阶段：提高器件的成品率和一致性。提高氮化镓晶体管制造的成品率和一致性，具备将其集成到大规模逻辑电路（千只器件的数量 级）的能力。
2013/11/4
在Notre Dame大学研究人员的协助下，TriQuint对其GaN NEXT工艺（目前尚未商用）进行了严格的测试，测试结果显示截止频率已超 过240GHz。
⑵ 工艺方面
TriQuint目前可提供100mm的晶圆代工服务。
⑶ 产品方面
TriQuint已发布了三款利用GaN工艺制造的标准产品。
a. T1G4005528-FS：最高工作频率3.5GHz，性能优良；适用于军用及民用雷达、专业及军用通信系统、测试仪器以及宽带或窄带放大 器；
摘 要 氮化镓微波功率器件是继砷化镓微波功率器件之后在21世纪新发展起来的微电子领域的研发热点，追踪研究了美国目前正在进行 的“氮化电子下一代技术”计划、日本正在进行的氮化镓微波器件科研项目、欧洲“ KORRIGA”及“GREAT”项目近况，总结了氮化镓微 波功率器件的发展趋势。
关键词 氮化镓 器件 科研
2.2.1 项目目标
NEXT计划的目标是研发能够同时实现极高的速度和电压（约翰逊品质因数大于5THz-V）的GaN制造工艺，并且该工艺能满足大规模集 成（在增强型/耗尽型模式下达到集成1000只晶体管）的要求。
该项目分为以下两个技术领域：
技术领域1：高集成度氮高电子迁移率晶体管（HEMT）；
其目标为：
a. 减少接触电阻；
b.降低栅极扩张；
c.控制器件的电容；
d.实现器件在增强型模式下稳定工作；
e.提高器件的一致性和制造的成品率。
技术领域2：实现器件的大规模集成
第1阶段：高集成度增强型和耗尽型模式氮化镓电子器件。开发出可实际生产的工艺，制造出强型和耗尽型工作模式下高速、 高约翰 逊品质因数（约翰逊品质因数=击穿电压×截止频率）的器件。并且演示将这些器件集成在逻辑电路（十只器件的数量级）中的能力。
PCM的良率 VTH的偏差 fT的偏差 fosc的偏差 退化时间
单 位 第1阶 第2阶 段段
GHz 300 400
GHz 350 450
THz-V 5
5
GHz 200 300
GHz 250 350
THz-V 5
5
%
50 75
%
30 30
mV
50 40
GHz 50 40
%
15 10
h
>10 >100
第3阶 段 500
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表1 NEXT计划各阶段验收标准
性能
良率 一致 性
项目
耗尽型模式下器 件的截止频率，
fT 耗尽型模式下器 件的最高频率，
fmax 耗尽型模式下的 约翰逊品质因数 增强型模式下器 件的截止频率，
fT 增强型模式下器 件的最高频率，
fmax 增强型模式下的 约翰逊品质因数 晶体管的良率
表2 三菱电机GaN产品
序号
1 2 3
型号
MGF0846G MGF0843G MGF0840G
输出功率
46 dBm（40W） 43 dBm（20W） 40 dBm（10W）
2.6GHz下功率附加 效率
46% 48% 50%

⑵ 新研发的产品 2011年5月，三菱电机宣布开发出世界最高效的卫星用C波段GaN HEMT放大器。该放大器将有助于因更新换代需求而发射量增加的通讯 卫星上所搭载的发射机的小型、轻量化与节能化。 HEMT在放大时产生的谐波，以及不适当的基波叠加造成了效率的低下，此外，二次谐波是造成效率低下的因素。此次，三菱公司在各 个GaN HEMT上分别构建谐波处理电路，达到67％的世界最高功率附加效率。 产品将于2012年内实现产业化；同时，开发成果还计划广泛应用于有大功率、高效率需求的移动通信基站的相应放大器上。 该放大器的特点： a.世界上首次在GaN衬底上的各HEMT形成谐波处理电路； 世界上首次在半导体衬底的32个GaN HEMT上分别形成谐波处理电路; 通过精确地在各个GaN HEMT上反射2倍谐波（2次谐波）来改善效率; 谐波处理电路由MIM电容和螺旋电感器构成; b.卫星用C波段GaN HEMT放大器可实现67％的功率附加效率，输出功率达到107W（50.3dBm）； c.小型、轻量封装。封装体积仅为17.4×24.0×4.3mm，重量仅为7.1g，内置输入和输出阻抗匹配电路。 4 欧洲研发GaN器件的情况 欧洲的GaN微波功率器件的科研项目主要有由欧洲防卫机构资助的面向国防和商业应用的“KORRIGAN计划”和由欧洲航天局资助的面 向高可靠航天应用的“GREAT2计划”。
3 日本在研发GaN器件方面的情况
与美国和欧洲出于国防需求不同，日本希望GaN HEMT能够取代当今无线网络基站中用于信号放大的Si及GaAs芯片，从而成为未来民用 通信系统的核心。
日本新能源产业综合开发机构（New Energy and Industrial Science Development Organization，NEDO）于1999～2002启动了“移 动通讯和传感器领域GaN半导体器件应用开发区域性联合项目”，该项目的开发成果是输出功率达到113W的AlGaN/GaN异质结场效应晶体管 （HFET）。
2005年以前： ⑴ 欧洲的终端用户没有途径购买到高性能的GaN器件；
⑵ 从基片到器件，没有一个明确的供应链；
⑶ GaN器件的设计和制造
2013/11/4
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该任务由NEC负责，其目标为设计和制造2 GHz，5 GHz和26 GHz的GaN器件。
3.2 最新进展
三菱电机的GaN产品已实现商业化。
⑴ 已实现商业化的产品
2010年，三菱电机推出了三个型号的GaN产品，工作频率范围为0.5～6GHz，主要应用为移动通信领域，见表2：
4.1 KORRIGAN KORRIGAN是“Key Organization for Research on Integrated Circuits in GaN|”的缩写，可译为“GaN集成电路研发核心机构”。
KORRIGAN是欧洲国家在欧盟框架内组织的一个大规模多国联合科研项目，其资助单位为欧洲防卫机构，主要面向国防应用和商业应用。欧 洲启动KORRIGAN的背景为：
2.2 氮化电子下一代技术（NEXT）计划
为了把GaN技术再推进一步，DARPA启动了“氮化电子下一代技术（Nitride Electronic Next-Generation Technology）计划”，简称“NEXT计划”。 NEXT计划的主要研发机构包括HRL实验室（负责高级氮电子技术的研发），Northrop Grumman（诺夫·格鲁曼）空间和任务系统公司以及TriQuint半导体公 司。
Abstract：Tremendous efforts had been paid to the research and development of GaN microwave devices. This paper introduces project NEXT in USA, the NEDO’s effect to develop GaN microwave devices in Japan and project KORRIGAN and GREAT2 in Europe.