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用于先进射频应用的基于氮化镓的器件

氮化镓在毫米波移动通信中的潜力

随着对带宽需求的持续增长和现有无线电频段的拥挤，电信业正在寻找新的技术来满足未来移动通信的要求。更多带宽与更高无线电频率密不可分，更高的频率意味着更多的带宽。当研究人员研究新的III-V材料用于100GHz以上的频率时，他们预计基于氮化镓（GaN）的技术将在毫米波低频部分（即50GHz以下）发挥重要作用。正因为如此，GaN有望服务于下一代5G网络，也可能是6G的早期版本。

氮化镓的优势

氮化镓在射频/低频毫米波通信方面的潜力归功于其出色的物理特性：高电流密度、高电子迁移率和高击穿电压。由于其高迁移率，该技术可以处理比今天的硅基技术更高的开关频率。除了速度之外，基于氮化镓的技术还因其功率处理能力而受到追捧，这使得它能够以高能效提供高输出功率。这些特点使氮化镓成为一种有吸引力的技术，可用于下一代移动电话和小型蜂窝的前端模块中的功率放大器（PA）。这些前端模块将射频信号送入和送出天线。与传统的硅或锗相比，氮化镓具有更高的功率处理能力，可转化为更长的传输距离和/或驱动天线所需的更少元件数量。

降低尺寸和成本：迈向可行的硅基氮化镓技术平台

为了适合作为用户设备和小型蜂窝的功率放大器，器件的成本和尺寸可能变得与电气性能一样重要。如前所述，由于氮化镓技术的固有特性，它有助于降低前端模块的尺寸。但要实现小尺寸，需要整合射频前端技术的各种组件。为了帮助实现这一目标，imec正在调整其硅基氮化镓技术平台，使之面向射频应用，作为其高级射频计划的一部分。

imec选择硅基氮化镓而不是碳化硅基氮化镓是出于节约成本的考虑：不仅硅基材料更便宜，而且与CMOS兼容的工艺也能实现大规模制造。硅基氮化镓技术最初是为电力电子应用而开发的，设想在电池充电器、计算机、服务器、汽车、照明系统和光伏领域实现电力转换。然而，要使硅基氮化镓适用于移动射频应用，还需要一些技术革新。器件结构内的寄生效应必须被尽可能地抑制，以达到高频率。这些努力的例子包括开发带有凸起源/漏极的模块和减少与栅极相关的寄生电容以降低源接入电阻。优化器件以达到更高的工作频率，还需要进一步降低栅极长度。这有利于提高f_T和f_max，这是衡量器件固有速度的一个标准。此外，必须使缓冲层与射频兼容，以尽量减少射频衬底带来的损失。

imec用于射频的硅基氮化镓工艺流程始于在200毫米硅片上进行金属有机化学气相沉积生长的外延结构。该外延结构由一个专有的GaN/AlGaN缓冲结构、一个GaN通道、一个AlN间隔物和一个AlGaN屏障组成。如图1所示，带有TiN肖特基金属栅极的GaN HEMT器件随后与低温三层Cu后端工艺集成。imec使用这个CMOS兼容平台制造GaN HEMT。对栅极金属堆、接触电阻和栅极长度扩展到110纳米的优化，使器件的f_max达到135GHz，这意味着向毫米波应用迈进了一步。功率放大器的主要优点体现在晶体管能够提供的输出功率和效率。在imec的硅基氮化镓平台上获得了具有竞争力的结果，在6GHz时，一个0.19微米栅极长度（L_G）的器件达到了60%的功率增加效率（PAE）和2W/mm的饱和功率输出（P_SAT），如图2a所示。图2b是imec硅基氮化镓工艺与其他硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓工艺的性能比较。红色的imec数据是硅基氮化镓器件的最佳结果之一，与碳化硅基氮化镓器件相当。使用较短的栅极长度可以改善28GHz时的性能。有了这些改进，imec相信，为满足用户器件要求而设计的、用硅基氮化镓工艺制造的放大器的PAE首次实现了与碳化硅基氮化镓放大器同等的性能。

在近年来电力电子市场增长的推动下，硅基氮化镓技术已经相当成熟，主要是由于最初用于电力电子应用的技术发展。鉴于这种成熟度，对器件运行背后的物理学进行挖掘，为改善器件特性提供了额外的工具。IMEC用建模来补充技术开发，最终将有助于实现更好的性能和可靠性。所获得的见解不仅有利于毫米波应用的GaN HEMT器件的开发，而且还能使其他应用领域的性能得到改善，包括基于GaN的电力电子器件。

通过离子植入进行器件隔离

作为这些建模的一个例子，本节重点讨论器件隔离。这是硅基氮化镓平台的技术基础之一。当把GaN HEMT集成在一个普通的硅平台上时，器件之间必须进行电隔离，相邻器件之间的漏电路径要尽可能少。这种电气隔离可以减少功率损失，并改善有源器件的击穿行为。对于GaN HEMT来说，离子植入技术已经被证明是一种比其他隔离技术更有吸引力的方法，可以提供更低的漏电和更高的隔离区域击穿电压。该技术最初是为基于GaN的电力电子应用而开发的，至今仍是被积极使用的隔离技术之一。

离子植入在GaN异质结构中引入了一些缺陷，这些缺陷作为电荷载体的捕获中心。就物理学而言，这些缺陷将费米级固定在远离GaN的传导或价带的地方。在器件周围的区域植入离子，如氮化物（N）离子，将减少导电自由载流子的数量，形成一个电绝缘区域。在实验中，研究人员还观察到，离子植入引起的损伤在高温（通常在600℃以上）退火后会消失，从而影响了隔离质量。imec的硅基氮化镓制造流程具有较低的外延后热预算，保证了HEMT器件的高质量隔离。imec已经展示了一种GaN HEMT离子植入隔离技术，该技术有助于实现最高的片层电阻（sheet resistance），其数值范围为10¹³至10¹⁵Ω/sq。这是量化隔离的一个重要指标。图3a和图3b显示了AlGaN/(AlN)/GaN异质结构的片层电阻(R_sh)，这些异质结构在不同的激活能大小和峰值加热温度下受到离子植入隔离。图3a表明隔离背后有一个共同的物理机制，而图3b表明加工温度对隔离质量的主要影响。

植入式隔离背后的机理：一个基本的见解

为什么这种技术效果这么好，以及剩余的电流泄漏路径究竟是在哪里形成的，一直是个谜。我们需要从根本上理解和模拟离子植入区域的漏电机制。这可以帮助改善各种应用，包括毫米波通信，的工艺条件，如热预算、植入剂量和能量。

要了解绝缘背后的确切机制是有原因的。离子植入区充满了各种性质的缺陷。有点缺陷（如空位或间隙原子）、缺陷复合体、外来离子杂质和晶格紊乱等等。此外，极化电荷存在于AlGaN和GaN之间的界面。这种复杂的缺陷和电荷的组合使得模拟孤立的异质结构内的电荷行为和定位漏电路径变得非常具有挑战性。

通过结合实验和建模工作，imec首次揭开了隔离的GaN基异质结构中的漏电机制。这项工作的细节已经发表在《Journal of Applied Physics》¹上。通过设置不同的AlGaN和AlN厚度的专门实验，研究人员提取并分析了隔离区域的片层电阻和相应的激活能量。从这些实验中得出的结论是，主要的泄漏是通过GaN表面的电子欧姆路径发生的。回归到物理学的术语，这转化为GaN表面附近的GaN导带向下弯曲。这些见解为孤立的异质结构的更详细的建模和重建其能带图奠定了基础。该理论有助于提取这些孤立的植入区域的净缺陷密度，在这些实验中，GaN和AlGaN的净缺陷密度分别达到约2×10¹⁹cm^-3和约2×10¹⁸cm^-3。这些缺陷中的大部分被发现为点缺陷。这些点缺陷是通过离子植入技术产生的，并通过imec的低热预算HEMT制造技术从重组中保存下来。高密度的点缺陷是限制GaN表面能带弯曲的关键，从而限制了泄漏。图4a和图4b说明了GaN异质结构中的泄漏机制。图4a显示了传输线模型结构中的表面泄漏路径与体泄漏路径的对比。图4b说明了AlGaN/AlN/GaN异质结构的能带图，显示了GaN表面的带状弯曲。

结论

imec首次揭示了离子植入作为一种电隔离GaN HEMT器件的技术背后的确切机制。这些见解有助于改善工艺条件，在针对射频/毫米波通信时获得良好的隔离质量。这些发现也可以扩展到电力电子应用。此外，该研究导致了一种新的方法来估计隔离的GaN基异质结构的净缺陷密度。这些努力和结果说明了揭开背后的物理秘密如何有助于将这些基于氮化镓的器件推向下一个成熟水平。

1. Hao Yu, et al., “Leakage Mechanism in Ion Implantation Isolated AlGaN/GaN Heterostructures,” Journal of Applied Physics 131, 035701, 2022, Web: https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0076243.

图1 基于氮化镓的毫米波器件的三层铜线后端工艺流程。

图2 imec的硅基氮化镓晶体管的大信号性能(a)。硅基氮化镓的基准测试数据(b)。

图3 片层电阻与激活能大小(a)。片层电阻与峰值加热温度(b)。

图4 传输线模型结构中表面和体漏电路径(a)。AlGaN/AlN/GaN异质结构的能带图(b)显示GaN表面的带状弯曲。