《III族氮化物基射頻HEMT、HBT與濾波器》研究報(bào)告

第三代半導(dǎo)體氮化鎵微波器件具備高頻、高效、大功率等特點(diǎn)，在新一代移動(dòng)通信中應(yīng)用潛力巨大。這一特定領(lǐng)域的突破標(biāo)志著寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁向新的高地。誰掌握著技術(shù)的高地，誰就擁有更多的話語權(quán)。

中科院半導(dǎo)體研究所所長助理、研究員張韻在第三代半導(dǎo)體微波射頻技術(shù)分會(huì)分享了《III族氮化物基射頻HEMT、HBT與濾波器》研究報(bào)告。他介紹說，III族氮化物材料具有禁帶寬度大、擊穿電場強(qiáng)、二維電子氣遷移率高、高聲速等優(yōu)點(diǎn)，是研制高性能高電子遷移率晶體管（HEMT）、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）和高頻濾波器等射頻器件的理想材料。

氮化鎵太赫茲HEMT研究中，短溝道效應(yīng)導(dǎo)致的跨導(dǎo)降低，將直接影響器件頻率特性。盡管高鋁組分與超薄勢壘外延結(jié)構(gòu)可以緩解短溝道效應(yīng)帶來的問題，但同時(shí)也引起了歐姆接觸難以制備的問題。選區(qū)再生長n+GaN源漏電極，可以為HEMT器件提供一個(gè)良好的歐姆接觸特性。本文通過MOCVD再生長，實(shí)現(xiàn)了界面電阻僅0.004Ω·mm的選區(qū)再生長歐姆電極，并實(shí)現(xiàn)了154GHz最大振蕩頻率與64GHz截止頻率。

張韻研究員表示，MOCVD選區(qū)外延n-AlGaN發(fā)射區(qū)并成功制備出AlGaN/GaN HBT器件。發(fā)射區(qū)面積為20×20μm2的器件Gummel plot測試顯示直流電流增益為100，在國際上報(bào)道的選區(qū)外延GaN基HBT中處于領(lǐng)先水平。器件開啟電壓小于1V，膝點(diǎn)電壓小于6.5 V，電流密度達(dá)到8 kA/cm2，擊穿電壓為97V@1μA，對(duì)應(yīng)擊穿場強(qiáng)約1.9 MV/cm。另外，我們發(fā)現(xiàn)，隨著器件面積的減小，電流增益持續(xù)增加，這有利于獲得高性能的射頻HBT器件，實(shí)現(xiàn)在下一代通信中的應(yīng)用。并在報(bào)告中詳細(xì)介紹了射頻器件性能。

他認(rèn)為，受限于鈮酸鋰聲速較低(3400-4000 m/s)，商用鈮酸鋰基聲表面波（SAW）濾波器工作頻率通常低于3 GHz，難以滿足通訊系統(tǒng)頻率不斷提升的需求，因此基于高聲速AlN薄膜(5600-6000 m/s)的高頻SAW濾波器成為研究熱點(diǎn)。分別在鈮酸鋰襯底和AlN/藍(lán)寶石襯底上制備出叉指寬度為2 μm的SAW濾波器，鈮酸鋰SAW濾波器的中心頻率為426.7 MHz，而AlN基SAW 濾波器的中心頻率高達(dá)703.3 MHz，為鈮酸鋰器件的1.65倍。制備的AlN基SAW諧振器的品質(zhì)因數(shù)為1347，AlN基SAW 濾波器的插入損耗為8.71 dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AlN材料在超高頻濾波器、傳感器方面具有重要的應(yīng)用前景。