国外氮化镓器件发展现状研究

国外氮化镓器件发展现状研究张倩，胡开博(工业和信息化部电子科学技术情报研究所)氮化镓(GaN)材料具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、抗辐射能力强、化学性质稳定和功率密度高等优点，具有巨大军事应用前景。为进一步降低成本和提高功率密度，GaN器件衬底在原有碳化硅(SiC)的基础上发展出硅和金刚石两种新材料：硅基主要面向低功率和对成本敏感的应用领域，金刚石基则以继续提升GaN器件功率性能为目标；硅基和SiC基GaN器件目前已有大量产品问世，金刚石基GaN器件仍处于研发阶段。为促进GaN器件的发展，美国、欧洲和日本等国家和地区启动了多个发展计划。美国国防先期研究计划局(DARPA)在2010年底完成了历时9年、总投资2亿美元的宽禁带半导体一射频(WBGS时)项目后，又陆续启动了以研究可工作于500GHz的GaN微波毫米波单片集成电路(MMIC)为目标的“下一代氮化物电子”(NEXT)项目【l】和以研究先进射频超快大功率直流GaN开关器件为目标的“微功率转换器”(MPC)项目，两个项目年均投入均超过1000万美元。此外，为促进金刚石基GaN器件的发展，DARPA在2012年分别与美国TriQuint和RFMD公司签署开发协议，总投入480万美元12且3l。2013年4月，TriQuint公司研制出首个金刚石基GaN高电子迁移晶体管(HEMT)，功率是现有GaN器件的3倍【41。美国空军和海军则重点对GaN制造工艺的研究提供支持。2013年4月，空军 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示已研制出14panSiC基的氮化镓铝(AIGaN)／GaNMMIC制造工艺，并将利用4年时间和495万美元使产业界具备该生产能力，满足美国国防部GaN生产需求瞄J。欧盟在欧洲第7框架计划下开展了三个GaN项目，分别从器件、结构和衬底材料等方面展开研究，总投资2263万欧元。在欧洲各国中，以比利时、法国和英国的氮化镓发展最为迅速。比利时微电子研究中心(蹦EC)、法国电子与信息技术实验室(CEA．Leti)和Soitec公司、英国剑桥大学GaN中心均以GaN晶圆生长技术为研究重点【6】；英国还分别于2012年6月和2013年4月启动专项研究，开发新的GaN电路结构和衬底材料[7】【8】。日本政府则与日本27家公司合作，通过日本创新网络公司(INCJ)为美国GaN初创公司Transphorm投入资金，共同开发高压硅基氮化镓功率器件pJ。在产品方面，GaN自2010年实现高可靠量产后，进入高速发展期。目前，GaN晶圆尺寸达到6寸，生产工艺达到0．2um；可靠性大幅提高，如，美国TriQuint公司0．251maSiC基GaN工艺生产的氮化镓器件，在200℃下，寿命超过1000万小时，225℃下，寿命超过100万小时。可提供GaN器件产品的公司主要有美国Cree【10】、Nitronex、RFMD、TriQuint、Transphorm[111、HRL、ComtechPST[121、Microsemi[13】【14】和Freescale【15】等公司，荷兰NXP公司，日本三菱【16】和日立【17】公司等，覆盖0～18GHz基本通信频段，最高可达100GHz，性能是现有产品性能的数倍，如美国HRL公司生产的E．w波段GaN器件输出功率是其他器件的5倍[18】，Cree公司生产的Ku波段GaN器件的功率和带宽是其他器件2倍【l9】。GaN器件晶圆直径的增加、生产工艺的成熟、可靠性的提升都为GaN器件在下一代有源电子扫描阵列雷达、新电子战系统等武器装备中的应用铺平道路【201。美国、英国和日本都计划在其新研制的雷达、电子战、通信系统等设备中使用GaN电子器件，并已开展GaN性能验证，如美国诺格公司已验证其安装于F．35上AN／AAQ．37分布式孔径系统和AN／APG．81AESA雷达中氮化镓器件的性能，美国波音公司同ITTExelis公司合作完成了对氮化镓阵列发射器技术关键组成部分的测试，有望应用于下一代干扰机(NGJ)中【21】；日本东芝公司新的x波段氮化镓混合集成电路将应用到有源电子扫描阵列和无源电子扫描阵列雷达中的收发组件中[221。下一步，GaN器件将继续向着低成本、高可靠性方向发展，并大力推动金刚石基GaN器件的发展和成熟。17注：1．三个项目分别为‘'NANOTEC：用于自适应和可靠射频系统的纳米结构材料和射频微机电系统、射频集成电路／单片微波集成电路技术”、“SMARTPOWER：工业和射频用GaN和SiC高功率电子器件的灵巧集成”、“HIPOSWITCH：高效功率转换器用常关型GaN基高功率开关晶体管”。2．27家公司为夏普、住友电子、东芝和日本通用等公司。参考文献：【1]TriQuintadvancesintonextgenerationGaNproducts[EB—OL]．http：／／www．compoundsemiconductor．neffcsc／news·-details／id／19734454／name／TriQuint-advances--into．-next·-generation—GaN-product．html．January1lth．2012[2]RFMDwinsDARPAGaNcontracttoenhanceRFamplifiers[EB—OL]．http：／／www．compoundsemiconductor．net／csc／news··details／id／19735656／name／RFMD．．wins．-DARPA．．GaN—．contract-to—enhance-RF-amplifier．html．October25th，2012[3]RFMDwinsDARPAGaNcontracttoenhanceRFamplifiers[EB-OL]．http：／／www．compoundsemiconductor．net／csc／news—details／id／19735656／name／RFMD．wins-DARPA．GaN．contract—to—enhance—RF—amplifier．html．October25th，2012[4]TriQuint、SGaN—On—DiamondTechnologyIsCuttingEdge[EB—OL]．http：／／www．compoundsemiconductor．net／csc／news·-details／id／19736297／name／TriQuint％60s．．GaN．．on．．diamond-．technology—is-cutting—edg．html。April30th，2013【5]AirForcetoturnover0．14-micronMMICtechnologytoindustryforadvancedradar[EB—OL】．http：／／www．militaryaerospace．com／articles／2013／04／USAF-MMIC—fab．html．April25th，2013【6]CambridgeUnicapitalisesonGaNonSilicon[EB—OL]．http：／／www．compoundsemiconductor．net／csc／news··details／id／19736253／name／Cambridge·-Uni--capitalises·-··on-·GaN-on—Silico．html．April16th，2013[7]TwonewprojectstargetGaAsimagingandGaNpower【EB-OL]．http：／／www．compoundsemiconductor．net／csc／news·-details／id／19735072／name／Two--new-projects·-target-GaAs·-imaging—and-GaN-power．html．June5th，2012【8]UKfundsR&Dprojectonhigh—thermal-conductivitysubstratesforGaNelectronics[EB—OL】．http：／／www．semiconductor-today．corn／news_items／2013／AP刚EPSRC_290413．html．April29th，2013[9]JapaninvestsinGaNpowerstartup[EB-OL]．http：／／www．eetimes．com／electronics—news／4397426／Japan-invests-in—GaN-power-startup．October1st，2012[10]CreerevealsbreakthroughGaN-basedsolid—stateamplifierplatform[EB-OL]．http：／／www．compoundsemiconductor．net／csc／news·-details／id／19735122／name／-Cree-·reveals·-breakthrough·-GaN·-based—solid—state—amplifier-platform．html．June13th，2012[11]Industry’Sfirstqualified600Vgalliumnitridedeviceisover99％efficient[EB·OL]。http：／／www．compoundsemiconductor．net／csc／news—details／id／19734580／name／Industry’S-first-qualified一600一V-gallium-nitride·device—is—over-99一efficient．html．February7th，2012【12]Solid—stateRFpoweramplifierforEW,radar,andcommunicationsintroducedbyComtechPST[EB—OL]．http：／／www．militaryaerospace．com／articles／2012／10／comtech—rf-power．html．October29th，2012[13]MitsubishiDevelopsHigh—outputGaNPowerAmplifierOnSiSubstrate【EB—OL]．http：／／efytimes．com／e1／85762／Mitsubishi—Develops·Highoutput-GaN—Power-Amplifier-On-Si—Substrate．June12th，2012[14]MicrosemiusesGaNonSiCforpowerRFtransistor[EB-OL]．18http：／／www．electronicsweekly．corn／Articles／03／09／2012／54465／microsemi—-uses·-gan--on．．sic-．for-power-if-transistor．htm．September3th，2012【15]FreescalebreaksintoGaNpowerRFmarket【EB—OL]．http：llwww．compoundserniconductor．net／csc／news-details／id／19735109／name／Freescale-breaks—into-GaN．power-RF—market．html．June12th，2012[16]MitsubishiDevelopsHigh—outputGaNPowerAmplifierOnSiSubstrate[EB—OL]．http：／／efytimes．com／e1／85762／Mitsubishi—Develops-Highou印ut—GaN—Power-Amplifier-On-Si—Substrate．June12th，2012[17]FirstGaNverticaldiodewith3000Vbreakdown[EB-OL]．http：／／www．compoundsemiconductor．net／csc／news-details／id／19735438／name／First．．GaN．．vertical．．diode．．with．．3000V-breakdow．html．September3th，2012[18]HRL'sGaNtransistortechnologyavailablecommercially[EB-OL]．http：／／www．compoundsemiconductor．net／csc／news·-details／id／19734691／name／HRL's·—GaN—transistor-technology—available-commerciall．html．March2nd，2012[19]CreerevealsbreakthroughGaN—basedsolid—stateamplifierplatform[EB—OL]．http：／／www．compoundsemiconductor．net／csc／news-details／id／19735122／name／一Cree-reveals-breakthrough—GaN—based—solid-state-amplifier-platform．html．June13th，2012【20]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