宽禁带半导体技术

２．０￣６．０ｅｖ，则称为宽禁带半导体，如碳化硅（ＳｉＣ）、氮化 ＰＡＥ 高达 ５４％ ，其 １５０Ｗ 输出功率（２．１ＧＨｚ）的线性增
镓（ＧａＮ）、４Ｈ 碳化硅（４Ｈ－ＳｉＣ）、６Ｈ 碳化硅（６Ｈ－ＳｉＣ）、氮 益为 １２．９ｄＢ。
化铝（ Ａ ｌ Ｎ ） 以及氮化镓铝（ Ａ Ｌ Ｇ ａ Ｎ ） 等。宽禁带半导体材
应用展望 Ｗ Ｂ Ｇ Ｓ Ｔ Ｉ 将研制出宽禁带材料、器件、Ｍ Ｍ Ｉ Ｃ 以及
Ｔ ／ Ｒ 模块的制作设备，随着性能优异的宽禁带器件与 ＭＭＩＣ 的实现，包括雷达、智能武器、电子对抗系统以 及通信系统在内的在众多军事系统与民用产品的性能 将得到极为明显改善。展望未来，宽禁带半导体器件 的主要应用领域包括：
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宽禁带半导体技术
Wide Bandgap Semiconductor Technology
概述
展迅速，不仅圆片直径有所加大，而且缺陷数量与电阻
根据半导体材料禁带宽度的不同，可分为宽禁带半 率 都 达 到 了 大 批 量 生 产 性 能 优 异 的 宽 禁 带 器 件 与
导体材料与窄禁带半导体材料。若禁带宽度 Ｅｇ＜２ｅｖ（ 电 ＭＭＩＣ（ 单片微波集成电路） 的技术要求。此外，宽禁带
子伏特），则称为窄禁带半导体，如锗（Ｇｅ）、硅（Ｓｉ）、砷 外延结构演示结果也令人满意。例如，Ｇ ａ Ｎ Ｈ Ｅ Ｍ Ｔ （ 高
化镓（ Ｇ ａ Ａ ｓ ） 以及磷化铟（ Ｉ ｎ Ｐ ）；若禁带宽度 Ｅ ｇ ＞ 电子迁移率晶体管）在 ２ ． １ Ｇ Ｈ ｚ 时饱和功率输出 １ ７ ４ Ｗ ，
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的激磁电源的设计理念，减少了设计环节，简化了电 源结构，降低了电路成本，提高了可靠性。经实际应 用，能够长期稳定地工作，输出电压的频率和幅值稳 定精度高。特别是功率运放反相驱动和 Ｌ Ｃ 串联谐振原 理的应用，使一套振荡器电路可以同时输出三种不同 幅值的正弦波电压，能够满足不同的使用需求。
参考文献： １． 虞厚柏，‘激磁电源初探’，舰船光学，１９９１．１ 搜索电源，电子产品世界网站有 １ ７ ２ ８ 篇相关文章。
极管采用超快恢复二极管，其连续电流应大于功率运
放峰值电流，反向耐压值应至少为电源电压的两倍，电
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路设计中选用的是 ＨＥＲ６０４（６Ａ／３００Ｖ）。
应注意的问题
图 ２ 中 Ｒ２ 与 Ｒ ３ 的参数特别是温度系数要一致，否 则，在高温和低温时，有可能出现振荡器不起振， 或者
振荡波形失真的现象。电路调整完毕，Ｒ ３ 最好换成相 同阻值的固定金属膜电阻，以减小阻值漂移引起激磁
¥ 改善军事系统与装备性能。高温、高频、高功率 微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件，如 果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量 级，微波器件的工作温度将提高到 ３００℃，不仅将大大 提高雷达（ 尤其是相控阵雷达） 、通信、电子对抗以及 智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天 与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难 题。 （ 李耐和）
最近，Ｃ ｒ ｅ ｅ 公司收购的 Ａ Ｔ Ｍ Ｉ 公司在 Ｇ ａ Ｎ 基底上
表 ２ ＷＢＧＳＴＩ 第二、三阶段技术目标参数
制作出高功率、高效率 Ｘ 波段器件。Ｂ Ａ Ｅ 系统公司已 经对其进行演示，不但演示了器件在微波频段具有的 优异性能，还演示了毫米波器件（工作频率 ３５ ＧＨｚ，输 出功率 ３．５Ｗ ，Ｐ Ａ Ｅ ２ ２ ％ ）的制作能力。
料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速 技术现状
度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好
在过去的几年里，由于美国政府以及商业部门的
的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、 大力支持，宽禁带半导体技术取得迅速进展。尤其是
大功率和高密度集成的电子器件；而利用其特有的禁带 ２ ０ ０ ２ 年美国国防先进研究计划局（ Ｄ Ａ Ｒ Ｐ Ａ ）启动与实施
电源参数变化的可能性。稳压二极管对激磁电源电路
的输出电压的稳定性影响较大， 需要选择温漂小的双向
稳压二极管，最好选用带温度补偿的稳压二极管。这
样即使电源电路长期连续工作，其输出的正弦波频率 及电压参数以及波形失真度仍能满足使用要求，保证 应用激磁电源的系统精度。
结语 无信号源的自激式激磁电源的设计，突破了传统
１０ 多年时间里，ＳｉＣ 器件的演示结果非常喜人，但是高
性能宽禁带器件的产量一直很低。一个主要原因就是
无法得到理想的 Ｓ ｉ Ｃ 基底——不但要具有足够高电阻
系数，可以提供半绝缘特性，而且严重缺陷（ 如微孔）
数量要足够低。由于没有高质量的基底，就无法通过
宽禁带材料的同质 ／ 异质外延生长获得制作微波与毫米
¥ Ｑ 波段高功率放大器模块。该模块包含的 宽禁带功率放大器 ＭＭＩＣ 性能见表 ２ ，其工作频 率在 ４０ ＧＨｚ 以上。
¥ 宽带高功率放大器模块。该模块包含宽禁 带功率放大器 Ｍ Ｍ Ｉ Ｃ ，其工作瞬间带宽超过 １ ０
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倍（ 例如，从 ２ Ｇ Ｈ ｚ 到 ２ ０ Ｇ Ｈ ｚ ） ，包括 Ｘ 波段。 ＷＢＧＳＴＩ 未来两个阶段的发展还将包括大量的可靠
波器件所需的高度一致性、具有足够高电子迁移率的
大尺寸晶片。
值得一提的是，在过去的 ３ 年里，ＳｉＣ 基底研制进
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合物气相沉积） 技术生长的 Ｇ ａ Ｎ 外延层性能指标。同 样，在获得可再现高电子迁移率活性层以及在材料特 性一致性方面也取得了令人满意的结果。
¥ 实现半导体照明。国内外倍加关注的半导体照明
是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目前使 用的大部分传统光源，被称为 ２１ 世纪照明光源的革命， 而 Ｇ ａ Ｎ 基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半 导体照明的核心技术和基础。
¥ 提高光存储密度。Ｄ Ｖ Ｄ 的光存储密度与作为读 写器件的半导体激光器的波长平方成反比，如果 Ｄ Ｖ Ｄ 使用 Ｇ ａ Ｎ 基短波长半导体激光器，则其光存储密度将 比当前使用 ＧａＡｓ 基半导体激光器的同类产品提高 ４ ￣ ５ 倍，因此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理 的主流技术。
在 Ｗ Ｂ Ｇ Ｓ Ｔ Ｉ 第二阶段与第三阶段将建立全 面的设计、生产与封装能力，并演示宽禁带器件 与 Ｍ Ｍ Ｉ Ｃ 预期的高性能、高可靠性以及可承受 的生产成本。
同时，宽禁带材料最优化的研制工作仍将 继续。
关于宽禁带器件与 Ｍ Ｍ Ｉ Ｃ 的应用演示，将 包括以下 ３ 种模块：
¥ Ｘ 波段发射与接收（Ｔ／Ｒ） 模块。该模块将 包括 １ 个宽禁带功率放大器和 １ 个宽禁带低噪声 放大器 Ｍ Ｍ Ｉ Ｃ 。预计该模块的其它特性，如尺寸 以及整个接收器的噪声系数性能，将相当或优 于现有 Ｔ／Ｒ 模块。
另一项成功地提高宽禁带半导体器件性能 的技术是场电极（ｆｉｅｌｄ－ｐｌａｔｅｓ）技术。利用该技术 制作的器件具有极高的击穿电压、高输出功率 以及较高的 ＰＡＥ 。一个例子是 Ｇ ａ Ｎ Ｈ Ｅ Ｍ Ｔ ，当 偏压 １２０Ｖ，工作频率 ４ ＧＨｚ 时，其输出功率密 度为 ３２．２Ｗ／ｍｍ，ＰＡＥ 高达 ５４．８％。
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未来发展 ＷＢＧＳＴＩ 第一阶段的成功为美国国防先进研
究计划局继续该计划奠定了坚实的基础。 ＷＢＧＳＴＩ 第二阶段在 ２００５￣２００７ 年进行，将实现 ＧａＮ 基高可靠、高性能微波与毫米波器件的大批 量生产。第三阶段将在 ２００８￣２００９ 年进行，将研 制成功 ＧａＮ 基高可靠、高性能 ＭＭＩＣ ，并在若干 种模块中演示其应用。由于民用系统也将大量使 用宽禁带与 Ｍ Ｍ Ｉ Ｃ ，这将有助于其产量的稳定。
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上接 ８ ６
理想状态下，ＬＣ 串联谐振电路完全谐振
时电感和电容两端电压大小相等，相位相反，互相抵
消。但实际元器件并不能使电路达到完全谐振状态，那
么功率运放输出端的电压有可能在正弦峰值时超出电
源电压，损坏功率运放。通过两个钳位二极管对低内
阻的电源放电，以防止意外的峰值电压造成损坏。二
在该计划第一阶段（２００２￣２００４ 年）期间，市售 ＳｉＣ
其中 ＳｉＣ 技术最为成熟，研究进展也较快；ＧａＮ 技术应 基底直径已由 ２ 英寸增加到 ３ 英寸；同时，部分供应商
用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入。
正在研制 ４ 英寸 ＳｉＣ 基底，预计 ２００６ 年商品化。目前，
目前，多家半导体厂商演示了具有高功率、高功率 至少一家供应商（ 如 Ｃ ｒ ｅ ｅ 公司） 已经建立 Ｓ ｉ Ｃ 器件与
附加效率（ＰＡＥ）、高增益以及较宽工作带宽的宽禁带半 Ｍ Ｍ Ｉ Ｃ 圆片代工厂，并出售高功率 Ｓ ｉ Ｃ 器件。表 １ 则给
导体。这些器件工作频率范围很宽，从不足 １ Ｇ Ｈ ｚ 到 出利用 Ｍ Ｂ Ｅ （ 分子束外延） 以及 Ｍ Ｏ Ｃ Ｖ Ｄ （ 金属有机化
４０ＧＨｚ，而且性能优异。虽然自 ２０ 世纪 ９０ 年代以来的 表 １ ＷＢＧＳＴＩ 第一阶段 ＧａＮ 外延生长结果
宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光器件和光探测器件。 的宽禁带半导体技术计划（ＷＢＧＳＴＩ），已成为加速改进
因此，美国、日本、俄罗斯等国都极其重视宽禁带半导 ＳｉＣ、ＧａＮ 以及 ＡｌＮ 等宽禁带半导体材料特性的重要催
体技术的研究与开发。从目前宽禁带半导体材料和器件 化剂。
的研究情况来看，研究重点多集中于 ＳｉＣ 和 ＧａＮ 技术，
性测试与评估，目的是确保所生产的宽禁带器件与 Ｍ Ｍ Ｉ Ｃ 性能长期稳定与可靠。开发有效的宽禁带器件与 Ｍ Ｍ Ｉ Ｃ 制作工艺，也是该计划的重点之一。同时，还将 推出经济可承受的封装方法，以保证 ＭＭＩＣ 在所需环境 条件下达到其全部性能并高可靠地工作。另外，如何在 这些封装或组装模块的大批量生产中使手工操作减至最 少也是一个不容忽视的问题；为了搞好封装制作，进行 模块的热 － 电 － 磁仿真也是一项不可或缺的工作。