行业 | 德国IISB基于AlN单晶衬底实现新一代6G/卫星通信K/Ka波段射频芯片突破

译自原文
K/K_a -band Load-Pull performance of AlGaN/GaN/AlN HEMTs on free standing AlN substrates

原文链接
https://doi.org/10.1088/1361-6641/aeaf12, Semiconductor Science and Technology, Volume 41, Number 10

原文作者
Philipp Gribisch¹, Frank Brunner¹ , Natalia Kemf¹ , Charlene Last¹ , Christoph Schulze¹ , Roland Weingärtner² , Sven Besendörfer² and Oliver Hilt¹

¹ Ferdinand-Braun-Institut (FBH), 12489 Berlin, Germany

² Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology IISB, 91058 Erlangen, Germany

项目支持方
德国联邦研究、技术与航天部（BMFTR）

摘要

我们首次展示了AlN单晶衬底上栅长 220 nm 的AlGaN/GaN/AlN HEMT 在 20 GHz 及以上的 K/K_a 波段连续波（CW）负载牵引（LP）测量结果。与生长在 SiC 衬底上的同类外延结构相比，AlN单晶衬底上的 AlN 缓冲层位错密度显著降低。器件关态漏电流低于 100 μA/mm，最大漏极电流（I_ds,max）约为 1 A/mm。采用无源调谐负载牵引设备，在 10（20）GHz 下测得栅宽 8×75 μm 器件的峰值功率附加效率（PAE）达 58（40）%，增益 14（9）dB，输出功率密度 4.1（2.8）W/mm；提高漏极电压可进一步提升输出功率。在 30 GHz 下，采用有源调谐设备测得 4×50 μm 器件的 PAE 为 33%，增益 7 dB，输出功率密度 2.6 W/mm。据我们所知，20 GHz 和 30 GHz 的测量结果是目前 AlN单晶衬底 GaN HEMT 的首次报道，凸显了该材料体系的潜力。

引言

除未来 6G 地面通信外，高数据速率卫星链路对工作在 K_a 和 K 波段的射频功率晶体管有着迫切需求，同时对器件可靠性提出了极高要求。氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMT）因其在 AlGaN/GaN 界面处二维电子气（2DEG）的高电子迁移率而日益受到射频（RF）应用领域的关注。这类器件的 GaN 基缓冲层通常生长在碳化硅（SiC）衬底上，但这种异质外延方式会导致高密度的穿透位错（约 10⁸ cm⁻²）。此外，常用的 GaN 缓冲层补偿掺杂会引发色散效应，降低 GaN HEMT 在射频放大中的效率。近年来，超宽禁带（~6.2 eV）半导体氮化铝（AlN）因其 340 W/(m·K) 的热导率优于 GaN 而受到关注。

AlN 更大的禁带宽度使其临界电场约为 GaN 的三倍。结合 AlN 与 GaN 之间的大能带偏移，可构建良好限制的 GaN 沟道，从而形成优异的 AlN 背势垒特性。此外，由于不再需要缓冲层补偿掺杂，相关色散效应将不复存在，缓冲层泄漏也显著降低。这还将改善晶体管的沟道调制能力，减轻短沟道效应，从而在更短栅长下实现高性能——这对 30 GHz 及以上频段至关重要。基于上述原因，穿通缓冲层等效应可被最小化，因此与补偿掺杂 GaN 缓冲层器件相比，在相同尺寸下可使用更高的漏极电压，从而获得更高的输出功率。因此，AlN 作为 GaN HEMT 缓冲层材料具有巨大潜力。

AlN 缓冲层 HEMT 大多制备在 SiC 等异质衬底上，这类衬底直径可达 300 mm，有利于规模化生产。从异质外延向 AlN单晶衬底同质外延的过渡备受期待，因为位错密度可降低数个数量级，降至 10³ cm⁻²。尽管 AlN 自身热导率略低于 SiC，但改善的缓冲层质量以及外延层-衬底界面处热边界电阻的消除，提升了向衬底的纵向热传导路径，这进一步改善了射频性能，因为散热在高射频功率下是关键因素。

在AlN单晶衬底上制备GaN沟道 HEMTs器件的研究，直到近些年才引起关注—我们课题组曾报道过其在高压应用方面的进展，而就射频（RF）应用而言，迄今为止关于 AlN单晶衬底上 GaN 沟道 HEMTs器件的报道并不多。

本文报道了直径 30 mm 的AlN单晶衬底上 AlGaN/GaN/AlN HEMT器件的性能，其在 10 GHz 下最大输出功率超过 4 W/mm，20 GHz 下为 2.8 W/mm，30 GHz 下为 2.6 W/mm。据我们所知，这是 AlN单晶衬底 上GaN沟道 HEMT器件在 20 GHz及以上频段工作的首次报道。尽管受限于尚不成熟的加工工艺，这仍是揭示该器件巨大潜力的第一步。

实验

AlN 晶体生长由弗劳恩霍夫 IISB 采用物理气相传输法在 2200°C 生长温度下完成。将单晶晶体切割成晶圆，抛光后得到可用于外延的 30 mm 直径 AlN单晶衬底。采用单色 X 射线形貌术（XRT）[图 1(c)]，利用 0004:Cu 反射在全晶圆尺度上评估近表面晶体质量。实验装置详情见文献。尽管晶圆中心可识别出一系列位错簇，但整体穿透螺型位错密度约为 10³ cm⁻²。

图 1. (a) AlN 基 AlGaN/GaN HEMT 截面示意图；(b) 4×50 μm 器件的扫描电镜（SEM）图像，可见空气桥结构；(c) AlN单晶衬底上异质结构的单色 X 射线形貌图像（0004:Cu 反射）；(d) 单晶 AlN 与 SiC 衬底上 AlN 缓冲层的 0002 反射 XRD 摇摆曲线。

采用金属有机气相外延（MOVPE）在约 430 μm 厚的 AlN单晶衬底上生长图 1(a) 所示的外延 AlGaN/GaN/AlN 层叠结构。依次生长 2.5 μm 厚 AlN 缓冲层、200 nm 厚 GaN 沟道层和 14 nm AlGaN 势垒层（Al 含量 28%）。外延结构顶部覆盖 2 nm 硅掺杂 GaN 和一层原位生长的氮化硅（SiNₓ）钝化层。

采用涡流法测得 2DEG 方块电阻约为 480 Ω/□。0002 反射的 X 射线衍射摇摆曲线显示，生长在 AlN单晶衬底上的 AlN 缓冲层半高宽（FWHM）为 31 arcsec，显著优于生长在 SiC 衬底上的 AlN 缓冲层的 413 arcsec[图 1(d)]。这证明了同质外延 AlN 的卓越晶体质量。

器件制备首先采用 i-line 步进光刻和 Ti/Al/Ni/Au/Ti/Pt 金属叠层，通过剥离工艺形成欧姆源漏接触，随后在氮气氛围中 890°C 合金化 30 秒。采用传输线法测得接触电阻为 0.44±0.04 Ω·mm。通过氮离子注入实现器件隔离，随后采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）150 nm SiN 进行钝化，以减少表面态相关的色散效应。利用电子束光刻和反应离子刻蚀形成栅槽，采用铱溅射栅技术沉积肖特基栅金属，栅长约为 220 nm。漏极和栅极指条通过 600 nm 电子束蒸发金互连，源极接触通过电镀 3.5 μm 厚金空气桥互连[图 1(b)]。本文所有器件的栅源间距均为 d_GS = 0.5 μm。

结果与讨论

在 V_ds = 10 V 下，2×50 μm 器件的晶圆中位直流转移曲线[图 2(b)]显示平均关态泄漏电流 < 100 μA/mm，最大漏极电流（I_ds,max）为 1.0 A/mm。阈值电压（V_th）约为 -2.6 V，最大跨导（g_m,max）为 350 mS/mm。输出特性曲线[图 2(c)]显示出对 V_gs 的清晰调制，在 V_gs = 1 V 时提取的通态电阻（R_on）为 2.4 Ω·mm。件源栅间距为 0.5 μm，栅漏间距（d_GD）为 2.0 μm。采用动态电流-电压分析仪（DIVA）对最优器件进行的脉冲输出测量[图 2(d)]，在脉冲宽度（PL）200 ns、脉冲周期（PP）500 μs 条件下，于偏置点（V_gs, V_ds）=（-7 V, 0 V）应力后提取的栅滞后为 11%，在（-7 V, 20 V）应力后提取的总滞后为 26%（均在 V_ds = 10 V 下提取）。

图 2. (a) 击穿电压（V_br）随栅漏间距（d_GD）的变化关系；(b) V_ds = 10 V 下的中位转移特性曲线及栅极电流；(c) 输出特性曲线，图中标注了 V_gs = 1 V 时提取的通态电阻（R_on）；(d) 在 V_gs = 1 V、脉冲宽度 PL = 200 ns、脉冲周期 PP = 500 μs 条件下，经不同应力偏置后的 DIVA 测量结果。所有电学测试均基于栅宽为 2×50 μm 的 AlN单晶衬底 AlGaN/GaN/AlN HEMT 器件完成。

直流性能与其他具有相似尺寸和外延层叠的 AlN单晶衬底器件相当。较低的亚阈值斜率、略高的关态泄漏和电流崩塌可能由本征或外部工艺引入因素引起。外部因素可能源于小尺寸晶圆导致无法使用部分成熟（自动化）加工设备，从而在制造过程中于半导体表面和势垒层内引入了陷阱态。本征因素则与 GaN 沟道层在 AlN 缓冲层上的 MOVPE 生长有关。由于 GaN 与 AlN 晶格常数差异大，GaN 以三维模式开始生长，这会产生粗糙且有缺陷的 AlN/GaN 界面，在高漏极偏压工作期间电荷可被陷阱捕获，导致大幅电流崩塌。此外，有缺陷的 GaN 成核以及外延生长过程中不断增加的应变会触发 GaN 层在形成位错时发生晶格弛豫。AlN-on-SiC 样品中也观察到了此类效应。

图 3. 针对最大功率附加效率（PAE）调谐的连续波负载牵引测量结果：(a) 10 GHz 和 (b) 20 GHz 下不同漏源电压（V_ds）的数据，以及 (c) V_ds = 20 V 时 30 GHz 的数据。(d) 从最大输出功率（P_out）调谐测量中提取的各频率及 V_ds 下的最大 P_out。(a)、(b) 采用无源负载牵引设备在栅漏间距 d_GD = 1.5 μm、栅宽 8×75 μm 的器件上测得；(c) 采用有源负载牵引设备在 d_GD = 1 μm、栅宽 4×50 μm 的器件上测得。

为评估射频性能，采用无源调谐负载牵引设备在 10 GHz 和 20 GHz 下对 8×75 μm 器件进行了连续波（CW）负载牵引测量，在 30 GHz 下采用有源调谐设备对 4×50 μm 器件进行了测量。在进行输出功率（P_out）、功率附加效率（PAE）和增益的功率扫描之前，首先评估了最大 PAE 和最大 P_out 对应的最优负载阻抗。图 4 给出了各频率下 Smith 圆图上针对 PAE 和 P_out 的最优负载阻抗等增益圆图。随后将该最优负载阻抗（亦标注于图 4 中）用于功率扫描。不同的负载牵引测量结果如图 3(a)–(c) 所示，图中输出功率（P_out）、增益和功率附加效率（PAE）均以输入功率（P_in）为横坐标绘制。10 GHz 负载牵引测量在不同调谐状态和 20 V 至 35 V 的 V_ds 偏置下进行。PAE 最优调谐图[图 4(a)]显示，从低 P_in 到约 20 dBm 信号进入压缩区之前，增益几乎恒定在 14 dB；此时 P_out 趋于饱和，PAE 在约 58% 处达到峰值。

图 4. 针对最大功率附加效率（PAE）和最大输出功率（P_out）调谐的等增益圆图，标注了连续波负载牵引测量中各频率下的最优负载阻抗。(a)、(b) 为 10 GHz 结果，(c)、(d) 为 20 GHz 结果，(e)、(f) 为 30 GHz 结果。所有等增益圆图均在 V_ds = 20 V 下获取。由于各频率测量采用了不同的实验装置，图中布局设计有所不同。

穿电压标度[图 2(a)]显示，栅漏间距 1 μm 的器件最大击穿电压为 86 V。考虑到非线性效应（如谐波可产生双倍于施加电压的瞬时电压峰值），最大漏极偏压不应超过 40 V。在更高频率下该效应可能更为显著，因此需降低最大 V_ds。在 20 GHz 下，当 V_ds = 20 V 时 PAE 在约 40% 处达到峰值，在 V_ds = 24 V 时几乎持平[图 3(b)]。在压缩前，增益饱和至约 9 dB 的平均值。在 30 GHz 下，最大 PAE 约为 33%，平均增益约为 7 dB[图 3(c)]。

负载牵引测量还针对最大输出功率进行了调谐，所得输出功率如图 3(d) 所示。在 10 GHz、V_ds = 35 V 下测得最大输出功率 4.1 W/mm；在 20 GHz、V_ds = 24 V 下约为 2.8 W/mm。在这两个频率下，更高的漏极电压均导致 P_out 提升。在 30 GHz、V_ds = 20 V 下可实现 2.6 W/mm 的 P_out。特定最大 P_out 下的 PAE 与前述最大 PAE 不同，汇总于表 1 中。

表 1. AlN单晶衬底上所述栅宽器件在不同频率下负载牵引测得的最大输出功率（P_out）、增益、功率附加效率（PAE）及最大 P_out 处的 PAE

从 S 参数测量中提取的截止频率（F_t）和最大振荡频率（F_max），在 V_ds = 15 V 和最佳 V_gs = -1.5 V 下对 2×50 μm 器件分别为 F_t ~ 35 GHz 和 F_max ~ 110 GHz（图 5），这与栅长 220 nm 的标准 GaN HEMT 典型值一致。对于负载牵引测量中使用的器件（4×50 μm 和 8×75 μm），F_t 值处于相近范围。然而，4×50 μm 器件的 F_max 提升至约 125 GHz，而 8×75 μm 器件的 F_max 降至约 80 GHz。尽管 F_t 已接近 30 GHz 负载牵引测量所用频率，器件仍提供了可观的增益和输出功率。

图 5. 不同栅宽器件在 V_gs = -1.5 V、V_ds = 15 V 下由 S 参数测量确定的 (a) 截止频率（F_t）和 (b) 最大振荡频率（F_max）。

10 GHz 结果与文献中 AlN单晶衬底 AlN 缓冲层 GaN 沟道 HEMT 的报道相当，后者 P_out 略高但 PAE 可比。需指出的是，采用 AlN 势垒、MBE 生长技术以及栅宽仅 2×100 μm 的器件，而本工作采用 AlGaN 势垒、MOVPE 生长和 8×75 μm 器件。MBE 可实现 AlN 与 GaN 层间更平滑的过渡，但不适合工业级规模化生长。报道了 AlN单晶衬底上更高的 10 GHz P_out，但那仅在脉冲负载牵引条件下获得，且器件具有更大的栅漏距离以允许更高的 V_ds。与 SiC 衬底上 AlN 势垒的 MBE 器件相比，本工作的 P_out 和 PAE 均超越已有报道。30 GHz 下的 PAE 和 P_out 结果与 SiC 衬底上 AlN/GaN/AlN HEMT 的报道值相当，尽管后者采用了更短栅长和 AlN 势垒，进一步凸显了所展示的 AlN-on-AlN 平台的潜力。

结论

综上，本文首次验证了AlN-on-AlN平台在 20 GHz 及更高频段射频应用中的可行性。在 20 GHz 与 30 GHz 下，器件峰值功率附加效率（PAE）分别可达 40%、33%，峰值输出功率密度（Pout）分别为 2.8 W/mm、2.6 W/mm，性能表现令人鼓舞。因此，基于 AlN单晶衬底的 AlGaN/GaN/AlN 高电子迁移率晶体管（HEMT），在器件工艺参数优化后，未来有望与采用补偿掺杂 GaN 缓冲层的器件形成竞争，并在 K/Ka 波段及更高频段应用中展现巨大潜力。

 原文源于【IOPScience】官网