宽禁带半导体技术

88 www.eepw.com.cn 2005.9 设 计 天 地 D es ig n F i e l d 概述 根据半导体材料禁带宽度的不同，可分为宽禁带半 导体材料与窄禁带半导体材料。若禁带宽度Eg<2ev(电 子伏特)，则称为窄禁带半导体，如锗(Ge)、硅(Si)、砷 化镓(GaAs)以及磷化铟(InP)；若禁带宽度Eg＞ 2.0~6.0ev，则称为宽禁带半导体，如碳化硅(SiC)、氮化 镓(GaN)、4H碳化硅(4H-SiC)、6H碳化硅(6H-SiC)、氮 化铝(AlN)以及氮化镓铝(ALGaN)等。宽禁带半导体材 料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速 度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好 的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、 大功率和高密度集成的电子器件；而利用其特有的禁带 宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光器件和光探测器件。 因此，美国、日本、俄罗斯等国都极其重视宽禁带半导 体技术的研究与开发。从目前宽禁带半导体材料和器件 的研究情况来看，研究重点多集中于SiC和GaN技术， 其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；GaN技术应 用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入。 目前，多家半导体厂商演示了具有高功率、高功率 附加效率(PAE)、高增益以及较宽工作带宽的宽禁带半 导体。这些器件工作频率范围很宽，从不足1GHz到 40GHz，而且性能优异。虽然自20世纪90年代以来的 10多年时间里，SiC器件的演示结果非常喜人，但是高 性能宽禁带器件的产量一直很低。一个主要原因就是 无法得到理想的SiC基底——不但要具有足够高电阻 系数，可以提供半绝缘特性，而且严重缺陷(如微孔) 数量要足够低。由于没有高质量的基底，就无法通过 宽禁带材料的同质/异质外延生长获得制作微波与毫米 波器件所需的高度一致性、具有足够高电子迁移率的 大尺寸晶片。 值得一提的是，在过去的3年里，SiC基底研制进 展迅速，不仅圆片直径有所加大，而且缺陷数量与电阻 率都达到了大批量生产性能优异的宽禁带器件与 MMIC(单片微波集成电路)的技术要求。此外，宽禁带 外延结构演示结果也令人满意。例如，GaN HEMT(高 电子迁移率晶体管)在2.1GHz时饱和功率输出174W， PAE高达54% ，其150W输出功率(2.1GHz)的线性增 益为12.9dB。 技术现状 在过去的几年里，由于美国政府以及商业部门的 大力支持，宽禁带半导体技术取得迅速进展。尤其是 2002年美国国防先进研究计划局(DARPA)启动与实施 的宽禁带半导体技术计划(WBGSTI)，已成为加速改进 SiC、GaN以及AlN等宽禁带半导体材料特性的重要催 化剂。 在该计划第一阶段(2002~2004年)期间，市售SiC 基底直径已由2英寸增加到3英寸；同时，部分供应商 正在研制4英寸SiC基底，预计2006年商品化。目前， 至少一家供应商(如Cree公司)已经建立SiC器件与 MMIC圆片代工厂，并出售高功率SiC器件。表1则给 出利用MBE(分子束外延)以及MOCVD(金属有机化 宽禁带半导体技术 Wide Ba ndga p Se miconduc tor Technology 表1 WBGSTI第一阶段GaN外延生长结果 90 www.eepw.com.cn 2005.9 设 计 天 地 D es ig n F i e l d 制作出高功率、高效率X波段器件。BAE系统公司已 经对其进行演示，不但演示了器件在微波频段具有的 优异性能，还演示了毫米波器件(工作频率35 GHz，输 出功率3.5W，PAE 22%)的制作能力。 另一项成功地提高宽禁带半导体器件性能 的技术是场电极(field-plates)技术。利用该技术 制作的器件具有极高的击穿电压、高输出功率 以及较高的PAE。一个例子是GaN HEMT，当 偏压120V，工作频率4 GHz时，其输出功率密 度为32.2W/mm，PAE 高达54.8%。 未来发展 WBGSTI第一阶段的成功为美国国防先进研 究计划局继续该计划奠定了坚实的基础。 WBGSTI第二阶段在2005~2007年进行，将实现 GaN基高可靠、高性能微波与毫米波器件的大批 量生产。第三阶段将在2008~2009年进行，将研 制成功GaN基高可靠、高性能MMIC，并在若干 种模块中演示其应用。由于民用系统也将大量使 用宽禁带与MMIC，这将有助于其产量的稳定。 在WBGSTI第二阶段与第三阶段将建立全 面的设计、生产与封装能力，并演示宽禁带器件 与MMIC预期的高性能、高可靠性以及可承受 的生产成本。 同时，宽禁带材料最优化的研制工作仍将 继续。 关于宽禁带器件与MMIC的应用演示，将 包括以下3种模块： ¥ X波段发射与接收(T/R)模块。该模块将 包括1个宽禁带功率放大器和1个宽禁带低噪声 放大器MMIC。预计该模块的其它特性，如尺寸 以及整个接收器的噪声系数性能，将相当或优 于现有T/R模块。 ¥ Q波段高功率放大器模块。该模块包含的 宽禁带功率放大器MMIC性能见表2，其工作频 率在40 GHz以上。 ¥ 宽带高功率放大器模块。该模块包含宽禁 带功率放大器MMIC，其工作瞬间带宽超过10 合物气相沉积)技术生长的GaN外延层性能指标。同 样，在获得可再现高电子迁移率活性层以及在材料特 性一致性方面也取得了令人满意的结果。 最近，Cree公司收购的ATMI公司在GaN基底上 表2 WBGSTI第二、三阶段技术目标参数 92 www.eepw.com.cn 2005.9 设 计 天 地 D es ig n F i e l d 倍(例如，从2GHz到20GHz)，包括X波段。 WBGSTI未来两个阶段的发展还将包括大量的可靠 性测试与评估，目的是确保所生产的宽禁带器件与 MMIC性能长期稳定与可靠。开发有效的宽禁带器件与 MMIC制作工艺，也是该计划的重点之一。同时，还将 推出经济可承受的封装方法，以保证MMIC在所需环境 条件下达到其全部性能并高可靠地工作。另外，如何在 这些封装或组装模块的大批量生产中使手工操作减至最 少也是一个不容忽视的问题；为了搞好封装制作，进行 模块的热-电-磁仿真也是一项不可或缺的工作。 应用展望 WBGSTI将研制出宽禁带材料、器件、MMIC以及 T/R模块的制作设备，随着性能优异的宽禁带器件与 MMIC的实现，包括雷达、智能武器、电子对抗系统以 及通信系统在内的在众多军事系统与民用产品的性能 将得到极为明显改善。展望未来，宽禁带半导体器件 的主要应用领域包括： ¥ 实现半导体照明。国内外倍加关注的半导体照明 是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目前使 用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命， 而GaN基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半 导体照明的核心技术和基础。 ¥ 提高光存储密度。DVD的光存储密度与作为读 写器件的半导体激光器的波长平方成反比，如果DVD 使用GaN基短波长半导体激光器，则其光存储密度将 比当前使用GaAs基半导体激光器的同类产品提高4~5 倍，因此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理 的主流技术。 ¥ 改善军事系统与装备性能。高温、高频、高功率 微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件，如 果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量 级，微波器件的工作温度将提高到300℃，不仅将大大 提高雷达(尤其是相控阵雷达)、通信、电子对抗以及 智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天 与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难 题。 (李耐和) 搜索半导体，电子产品世界网站有2133篇相关文章。 理想状态下，LC串联谐振电路完全谐振 时电感和电容两端电压大小相等，相位相反，互相抵 消。但实际元器件并不能使电路达到完全谐振状态，那 么功率运放输出端的电压有可能在正弦峰值时超出电 源电压，损坏功率运放。通过两个钳位二极管对低内 阻的电源放电，以防止意外的峰值电压造成损坏。二 极管采用超快恢复二极管，其连续电流应大于功率运 放峰值电流，反向耐压值应至少为电源电压的两倍，电 路设计中选用的是HER604(6A/300V)。 应注意的问题 图2中R2与R3的参数特别是温度系数要一致，否 则，在高温和低温时，有可能出现振荡器不起振,或者 振荡波形失真的现象。电路调整完毕，R3最好换成相 同阻值的固定金属膜电阻，以减小阻值漂移引起激磁 电源参数变化的可能性。稳压二极管对激磁电源电路 的输出电压的稳定性影响较大,需要选择温漂小的双向 稳压二极管，最好选用带温度补偿的稳压二极管。这 样即使电源电路长期连续工作，其输出的正弦波频率 及电压参数以及波形失真度仍能满足使用要求，保证 应用激磁电源的系统精度。 结语 无信号源的自激式激磁电源的设计，突破了传统 的激磁电源的设计理念，减少了设计环节，简化了电 源结构，降低了电路成本，提高了可靠性。经实际应 用，能够长期稳定地工作，输出电压的频率和幅值稳 定精度高。特别是功率运放反相驱动和LC串联谐振原 理的应用，使一套振荡器电路可以同时输出三种不同 幅值的正弦波电压，能够满足不同的使用需求。 参考文献： 1. 虞厚柏，‘激磁电源初探’，舰船光学，1991.1 搜索电源，电子产品世界网站有1728篇相关文章。 上接86