低成本Si基GaN微电子学的新进展(续)

进入21世纪后,宽禁带半导体GaN微电子学发展迅速,SiC基GaN微电子学已成为微波电子学的发展主流,且正在向更高频率和更高功率密度的新一代GaN微波功率器件发展。为了降低成本,Si基GaN微电子学应运而生,在5G通信、电动汽车等绿色能源应用发展的带动下,Si基GaN微电子学已进入产业化快速发展阶段。介绍了Si基GaN微电子学在射频Si基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)新器件结构、工艺与可靠性,Si基GaN HEMT单片微波集成电路(MMIC),Si基E模功率GaN HEMT结构设计,大尺寸Si基GaN HEMT工艺,Si基GaN功率开关器件的可靠性,Si基GaN功率变换器的单片集成和高频开关Si基GaN器件的应用创新等工程化、产业化方面的最新技术进展。分析和评价了低成本Si基GaN微电子学工程化和产业化的发展态势。     

GaN HEMTs微波器件的失效机理及宇航应用保障

经过30年的发展,GaN已成为当今化合物半导体领域的研究和产业化的热点,同时也是卫星微波通讯的未来重点发展技术之一,但其可靠性一直是制约GaN HEMT器件工程化的重要因素。本文回顾和总结了南京电子器件研究所解决GaN HEMT微波器件的可靠性问题的研发历程,整理了GaN HEMT微波器件在各阶段的典型失效模式、失效机理。针对GaN微波器件的宇航应用,描述了与相关技术配套的宇航应用保障体系,以实现其良好的运行及未知风险的控制。     

微波、毫米波GaN HEMT与MMIC的新进展

综述了近几年微波、毫米波氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)与单片微波集成电路(MMIC)在高效率、宽频带、高功率和先进热管理等方面的应用创新进展.介绍了基于GaN HEMT器件所具有的高功率密度和高击穿电压,采用波形工程原理设计的各类开关模式的高效率功率放大器,以及基于GaN HEMT器件的高功率密度、高阻抗的特点与先进的宽带拓扑电路和功率合成技术相结合的宽频带和高功率放大器.详细介绍了微波高端和毫米波段的高效率、宽频带和高功率放大器,多功能电路和多功能集成的GaN MMIC.最后阐述了由于GaN HEMT的功率密度是其他半导体器件的数倍,其先进热管理的创新研究也成为热点.     

GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。综述了GaN功率开关器件的发展历程、现状、关键技术突破、应用研究和微功率变换集成。重点评估了常开和常关两类GaN功率开关器件的异质结外延材料的结构、器件结构优化、器件的关键工艺、增强型器件的形成技术、器件性能、可靠性、应用特点和微系统集成。最后总结了新世纪以来GaN新一代电力电子器件技术进步的亮点。     

GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换北大核心CSCD

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。综述了GaN功率开关器件的发展历程、现状、关键技术突破、应用研究和微功率变换集成。重点评估了常开和常关两类GaN功率开关器件的异质结外延材料的结构、器件结构优化、器件的关键工艺、增强型器件的形成技术、器件性能、可靠性、应用特点和微系统集成。最后总结了新世纪以来GaN新一代电力电子器件技术进步的亮点。     

GaN单片功率集成电路研究进展

GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有工作频率高、导通损耗小等优点,已经开始广泛应用在多种高频、高效功率转换器中,而拥有更高集成度的全GaN单片集成电路可进一步提高基于GaN HEMT器件功率变换器的性能。介绍了不同类型的全GaN集成工艺平台以及GaN功能子电路的研究进展,并对全GaN单片集成功率IC的研究现状进行了综述。     

化合物半导体器件与电路的研究进展

介绍了GaAs,InP和GaN等几种重要化合物半导体电子器件的特点、应用和发展前景。回顾了GaAs,InP和GaN材料的材料特性及其器件发展历程与现状。分别讨论了GaAs基HEMT由PHEMT渐变为MHEMT结构和性能的变化,GaAs基HBT在不同电路应用中器件的特性,InP基HEMT与HBT的器件结构及工作特性,GaN基HEMT与HBT的器件特性参数。总体而言,化合物半导体器件与电路在高功率和高频电子器件方面发展较快,GaAs,InP和GaN材料所制得的各种器件电路工作在不同的频率波段,其在相关领域发展潜力巨大。     

GaN技术发展新趋势

氮化镓(GaN)是第三代半导体的典型代表,受到学术界和产业界的广泛关注,正在成为未来超越摩尔定律所依靠的重要技术之一。对于射频(RF)GaN技术,在电信和国防两大主要应用增长行业,尤其是军用领域对先进雷达和通信系统不断增加的需求,推动了RF GaN器件向更高频率、更大功率和更高可靠性发展。文章梳理了在该领域中GaN RF/微波HEMT、毫米波晶体管和单片微波集成电路(MMIC)、GaN器件空间应用可靠性和抗辐射加固等技术发展的脉络。在功率电子方面,对高效、绿色和智能化能源的需求拉动GaN功率电子、电源变换器向快速充电、高效和小型化方向发展。简述了应用于纯电动与混合动力电动汽车(EV/HEV)、工业制造、电信基础设施等场合的GaN功率器件的研发进展和商用情况。在数字计算特别是量子计算前沿,GaN是具有应用前景的技术之一。介绍了GaN计算和低温电子技术研究的几个亮点。总而言之,对GaN技术发展几大领域发展的最新趋势作了概括性描述,勾画出技术发展的粗略线条。     

GaN基HEMT器件的优化设计

针对氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件自热效应以及电流崩塌效应导致器件性能退化和失效的问题,研究了通过合理改变器件参数尺寸优化GaN基HEMT器件的设计,提高器件性能。通过仿真软件模拟了器件各参数对于GaN器件电学性能的影响,分析了不同衬底构成对GaN HEMT器件自热效应的影响,系统研究了GaN HEMT器件相关参数改变对自热效应及器件电学性能的影响。结果表明:Si及金刚石组成的衬底中减小Si层的厚度有利于减小器件的自热效应,降低有源区最高温度。为提高器件性能以及进一步优化GaN基HEMT器件设计提供了一定的理论参考。     

GaN基HEMT器件的优化设计北大核心CSCD

针对氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件自热效应以及电流崩塌效应导致器件性能退化和失效的问题,研究了通过合理改变器件参数尺寸优化GaN基HEMT器件的设计,提高器件性能。通过仿真软件模拟了器件各参数对于GaN器件电学性能的影响,分析了不同衬底构成对GaN HEMT器件自热效应的影响,系统研究了GaN HEMT器件相关参数改变对自热效应及器件电学性能的影响。结果表明:Si及金刚石组成的衬底中减小Si层的厚度有利于减小器件的自热效应,降低有源区最高温度。为提高器件性能以及进一步优化GaN基HEMT器件设计提供了一定的理论参考。     

GaN HEMT栅驱动技术研究进展

GaN HEMT器件由于其击穿场强高、导通电阻低等优越的性能,在高效、高频功率转换领域中有着广泛的应用前景。栅驱动芯片对于GaN HEMT器件应用起着至关重要的作用。介绍了GaN HEMT器件特性和驱动要求,对其栅驱动芯片的典型架构和每种芯片架构各自的关键实现技术研究现状进行了综述。同时介绍了GaN基单片集成功率IC的发展状况,对栅驱动芯片的实现技术进行了总结。     

GaN高电子迁移率晶体管高频噪声特性的研究

基于FUKUI噪声模型,分析了GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的高频噪声特性,结果表明,由于GaN HEMT具有更高的临界电场和更大的电子饱和速度,与第2代半导体器件(GaAs HEMT等)相比具有更优越的噪声性能.对近10多年来国内外在GaN HEMT低噪声器件及其低噪声功率放大器单片集成电路(MMIC)方面的研究进行了综述,并分析了GaN HEMT在低噪声应用领域目前存在的主要问题及其发展趋势.     

热阻降低39.5%的4英寸金刚石基GaN HEMT工艺

散热问题是制约GaN大功率器件应用的瓶颈,为解决这个问题,研究人员将注意力集中到金刚石上的GaN结构(金刚石基GaN)。研发了一种将4英寸(1英寸=2.54 cm)GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)转移到金刚石上来提高散热效率的工艺技术。首先采用GaN HEMT标准工艺制备GaN器件,然后将衬底进行剥离去除,接着将纳米级粘接层沉积到GaN和多晶金刚石的表面,最后通过4英寸晶圆级键合工艺,将去除衬底的GaN HEMT转移到金刚石上。测试结果显示,转移后的GaN HEMT的热阻较转移前热阻降低了39.5%,6.5 W总耗散功率下GaN HEMT的结温降低了33.77℃。而且,在48 V下对转移后的GaN HEMT进行了测试,结果表明,栅源电压1 V下漏极电流密度为0.93 A/mm,频率3.5 GHz下输出功率密度达到10.45 W/mm,功率附加效率(PAE)为51%,增益为13.9 dB。     

超宽禁带半导体AlN功率电子学的新进展

以SiC和GaN为代表的第三代半导体功率电子学已成为当今功率电子学创新发展的主流,而有可能成为下一代固态功率电子学的超宽禁带半导体AlN功率电子学和同类的Ga₂O₃、金刚石功率电子学同样受到人们的关注。介绍了AlN功率电子学在AlN功率二极管、AlN功率高电子迁移率晶体管(HEMT)、AlN增强GaN HEMT和AlN的热管理应用等方面的最新进展,包括AlN异质多层外延结构、超晶格量子阱结构、AlN功率器件新结构设计、AlN新器件工艺、AlN超薄势垒层、AlN缓冲层、AlN钝化层、AlN耦合沟道层、AlN及其合金的热阻和AlN多晶陶瓷热导率等。分析评价了AlN功率电子学的发展、关键技术进步和发展态势。     

X-波段AlGaN/GaN HEMT功率MMIC

<正>AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)以其高输出功率密度、高电压工作和易于宽带匹配等优势将成为下一代高频固态微波功率器件。微波功率器件主要有内匹配功率管和功率单片微波集成电路(MMIC)两种结构形式,功率MMIC尽管其研制成本相对较高,但功率MMIC可实现宽带匹配,同时功率MMIC的体积较内匹配功率管小得多,是满足诸如X     

超宽禁带半导体AlN功率电子学的新进展(续)

以SiC和GaN为代表的第三代半导体功率电子学已成为当今功率电子学创新发展的主流，而有可能成为下一代固态功率电子学的超宽禁带半导体AlN功率电子学和同类的Ga₂O₃、金刚石功率电子学同样受到人们的关注。介绍了AlN功率电子学在AlN功率二极管、AlN功率高电子迁移率晶体管(HEMT)、AlN增强GaN HEMT和AlN的热管理应用等方面的最新进展，包括AlN异质多层外延结构、超晶格量子阱结构、AlN功率器件新结构设计、AlN新器件工艺、AlN超薄势垒层、AlN缓冲层、AlN钝化层、AlN耦合沟道层、AlN及其合金的热阻和AlN多晶陶瓷热导率等。分析评价了AlN功率电子学的发展、关键技术进步和发展态势。     

C波段大功率GaN HEMT内匹配器件

基于GaN微波功率器件工艺制作了大栅宽GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)管芯,通过负载牵引及建模技术提取了管芯的输入阻抗、输出阻抗.采用二项式多节阻抗匹配变换器实现了宽带功率分配器及合成器电路的制作,通过采用LC网络提升了管芯输入阻抗、输出阻抗,加入了稳定网络,实现了50 Ω阻抗匹配.采用高热导率金属陶瓷外壳,提高了器件散热能力.最终研制成功大功率GaN HEMT内匹配器件,器件采用四胞管芯功率合成技术,总栅宽为40 mm.测试结果表明,频率为4.5～4.8 GHz,脉宽300μs,占空比10％,工作电压VDSs为28 V,器件的输出功率大于120 W,功率附加效率大于50％,功率增益大于11 dB.     

高耐压Si基GaN功率电子器件

基于Si基GaN HEMT材料制作了击穿电压530V、无场板的功率电子器件。器件制作工艺与现有GaN微波功率器件工艺兼容。研究了器件栅漏间距与击穿电压的关系。器件栅宽为100μm,栅漏间距为15μm时,得到的GaN HEMT器件击穿电压530V,最大电流密度536mA/mm。器件的特征通态电阻为1.54mΩ·cm2,是相同击穿电压Si MOSFET器件特征通态电阻的二十五分之一。所制作的6mm栅宽器件击穿电压400V,输出电流2A。该器件的研制为制作低成本GaN HEMT功率器件奠定了基础。     

GaN基HFET电力电子器件的研究

作为第三代宽禁带半导体器件,GaN基HFET功率器件具耐高压、高频、导通电阻小等优良特性,在电力电子器件方面也具有卓越的优势。概述了基于电力电子方面应用的AlGaN/GaN HFET功率器件的研究进展。从器件的结构入手,介绍了AlGaN/GaN HEMT的研究现状,从栅材料的选取以及栅介质层的结构对器件性能的影响着手,对AlGaN/GaN MIS-HFET的研究进行了详细的介绍。分析了场板改善器件击穿特性的原理以及各种场板结构AlGaN/GaNHFET器件的研究进展。论述了实现增强型器件不同的方法。阐述了GaN基HFET功率器件在材料、器件结构、稳定性、工艺等方面所面临的挑战。最后探讨了GaN基HFET功率器件未来的发展趋势。     

C波段160W连续波GaN HEMT内匹配功率器件研制

基于GaN功率器件工艺自主研发的大栅宽GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)管芯,采用内匹配技术和宽带功率合成技术相结合的方法,研制出了一款C波段160 W连续波GaN HEMT内匹配功率器件。通过优化管芯的结构,设计出了满足连续波使用要求的大功率GaN管芯,然后进行了内匹配器件的设计,在设计中首先采用负载牵引法进行了器件参数提取,并以此为基础设计了阻抗变换网络进行阻抗变换和功率合成。研制出了工作频率为4.4~5.0 GHz、工作电压32 V、连续波输出功率大于160 W、功率附加效率大于50%、功率增益大于12 dB的GaN HEMT内匹配功率管,具有广阔的工程应用前景。