高功率微波GaN器件研究现状与发展趋势

成都西科微波通讯有限公司 李国熠

成都嘉纳海威科技有限责任公司 滑育楠 邬海峰

1.引言

随着半导体技术的进步，以氮化镓（GaN）为首第三代宽禁带半导体器件已经在近年来得到广泛关注与研究。经过多年的技术积累，GaN HEMT MMIC于2010年已开始进入了快速发展的阶段，成千上万的高功率微波GaN器件应用到雷达、电子战装备和移动通信基站等领域。它是目前学术界产业界研究的热点，也是军用设备、民用通信中关键技术。本文在分析高功率微波GaN器件研究现状的基础上，总结了其发展趋势及应用前景，供有关学者参考。

2.GaN器件现状

图1 半导体材料特性

GaN材料十分适合制作高功率、高频率、稳定性好的电路。其半导体材料特性对比参见图1[1]。近几年GaN HEMT与MMIC应用研究的技术创新非常活跃，在高效率、宽频带、高功率、MMIC和先进热管理等方面的研究均有长足的进步，表现出GaN HEMT技术在微波、毫米波领域的持续创新能力。目前GaN HEMT的发展突破了一系列关键技术，如零微管缺陷、高质量、高纯半绝缘单晶衬底生长、抑制电流崩塌、栅漏电流、逆压电效应、热电子效应和热声子效应等失效机理和可靠性提升等，使其发展成为固态微波领域中新的核心技术。GaN在功率密度方面比Si，GaAs和InP等微波器件高近10倍，在2～40GHz内，小栅宽器件的功率密度达到10W/mm以上，最高达到40W/mm[1]，在80GHz达到2W/mm[3]。纳米量级的栅长、抑制短沟道效应和减少寄生参量等方面优化设计的结合，使GaN 器件高频特性的截止频率(fT)已达370 GHz[4]，最大振荡频率(fmax)已达518 GHz[5]。GaN 器件所具有的微波高功率密度和较好的高频性能在雷达、通信和电子对抗等领域引起了高度关注，频率从UHF到3mm波段，均有大量的GaN 器件研究错误!未找到引用源[8]。

3.高功率微波GaN芯片现状

图2 GaN功放芯片输出功率随频率变化曲线

基于文献调研，功率放大器(PA)是目前研究热点，在低噪声放大、微波开关等方面的研究也在逐步开展。现有的最先进的单片高功率微波GaN PA输出功率随频率变化曲线如图2所示，其输出功率的理论极限约正比于1/f2。在DC-18 GHz，单片、窄带GaN PA的输出功率具有潜在提升空间。类似的，GaN PA效率随频率变化曲线如图3所示，其效率的理论极限约正比于1/f0.6。在10-25 GHz，单片、窄带GaN PA的效率仍有较大提升空间。由于片上匹配电路元件的Q值较低，传统匹配设计方法在实现窄带PA时，损耗较小切效率较高，但是随着带宽增大，片上匹配电路的损耗增加，导致效率大大降低。

图3 GaN功放芯片效率随频率变化曲线

目前针对高功率微波GaN芯片的研发存在难题主要集中在：a.高效率宽带PA设计，在毫米波频段，半导体器件寄生参数将严重影响PA的功率、效率和线性度等指标，因此要使用抵消、利用或减小寄生参数技术改善；b.高精度工艺器件建模，如果没有器件模型或是模型的准确度较差，则电路设计的难度将大大增加，耗费的财力和人力将几倍甚至几百倍，开发周期也会大大延长；c.器件可靠性设计，由于高功率电路中晶体管自热效应使得内部温度急剧升高，导致GaN器件参数退化；d.芯片一体化封装设计，利用并排或叠加的封装方式，将多个不同功能有源芯片与无源器件实现一定功能的标准封装。

4.全球GaN代工厂调研

近年来GaN器件市场异常活跃，因为它逐渐成为主流并开始渗透一些批量需求的商业市场，已经在大部分高功率微波军事应用中占据强有力地位，并已占领一些民用基础设施市场。针对GaN的代工厂分布，Microwave Journal调查结果表明[9]：北美有Wolfspeed、NRC，欧洲有BAE、Fraunhofer、UMS、OMMIC等，中国台湾有稳懋(WIN)中国大陆有成都海威华芯（HiWafer）和厦门三安（SANAN）提供代工服务。尽管日本的射频GaN市场占有率高，但没有任何日本公司提供代工。美国的大多数客户选择Wolfspeed，而很多欧洲的航天航空和防务领域的企业，通常都会选择UMS或者OMMIC。某些公司与特定的制造厂有战略合作，其专有的工艺不向其它公司开放。例如美国GCS公司受ITAR（国际武器贸易条例）控制的公司，类似的美国公司还有Raytheon、MACOM和Qorvo。

5.高功率微波GaN技术发展趋势

国外高功率微波GaN技术正处在一个快速发展并将逐步走向应用的重要时期，对现有公开的技术资料进行综合分析可以看出未来发展趋势包括：a.高功率高效率改进，包括基于金刚石衬底提高散热能力和最大功率密度，采用新型场板结构改善晶体管电流崩塌效应提高输出功率，采用堆叠结构提高功放电路电压摆幅和输出功率；b. 高频太赫兹突破，包括等比例缩小技术提升特征频率克服击穿电压降低、短沟道效应、漏延迟、寄生RC延迟恶化等，ED技术用于克服等比例缩小技术的一些限制；c. 单片集成ED模式，包括实现纵向缩小、低阻接触、可制造自对准栅等；d. 更高集成度增强技术，ED工艺技术及支持片上系统SoC技术等。

6.结论

高功率GaN器件是近年来运用民用微波系统的核心技术。由于目前雷达、通信、武器研制、电子对抗，民用通信系统等领域对高功率微波GaN器件有着广阔的需求，而现有关键核心设计技术集中在国外的研究机构中。因此开展高功率微波GaN器件的研发可满足关键平台的海量需求，形成规模效益，突破国外厂商的技术垄断，从而增强我国国力。

[1]邬海峰.功率晶体管建模及射频与微波功率放大器设计[博士学位论文].天津:天津大学,2015.

[2]Y.F.Wu,et al.,40 W/mm double field-plated GaN HEMTs,Pro.of the 64th Device Research Conf.,Pennsylvania State,USA,2006:151-152．

[3]M. Micovic,et al.,GaN HFET for W-band power applications,in Proc.of IEEE IED,San Francisco,USA,2006:1-3．

[4]Y.Z.Yue,et al.,InAlN/AlN/GaN HEMTs with regrown Ohmic contacts and fT of 370 GHz,IEEE Electron Device Letters,2012,33(7):988-990．

[5]K.Shinohara,et al.,Self-aligned-gate GaN-HEMTs with heavily-doped n+-GaN Ohmic contacts to 2DEG,in Proc.of IEEE IED,2012:617-620．