GaN，依然大有可为

来源:半导体行业观察发布时间:2023-04-19759浏览

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随着对带宽的需求持续增长和现有无线电频谱变得拥挤，电信行业正在寻找新技术来满足未来移动通信的需求。对更多带宽的追求与使用更高的无线电频率有着千丝万缕的联系，而更高的工作频率意味着更多的可用带宽。

研究人员在研究新的 III-V 族材料（例如磷化铟）用于 100GHz 以上的频率时，他们预计基于 GaN 的技术将在 RF 频谱的较低毫米波部分（即低于 50GHz）中发挥重要作用。正因为如此，GaN 有望服务于下一代 5G 网络，并可能服务于 6G 的早期版本。

GaN 技术将其用于射频/较低毫米波通信的潜力归功于其出色的物理特性：它具有高电流密度、高电子迁移率和高击穿电压。由于其高迁移率，该技术可以处理比当今基于硅的技术更高的开关频率。

除了速度之外，基于 GaN 的技术还因其功率处理能力而备受推崇，这使其能够以良好的能效提供高输出功率。这些特性可以使 GaN 成为一种极具吸引力的技术，可用于位于下一代移动手机和小型基站前端模块中的功率放大器(PA)。这些前端模块将 RF 信号发送到天线或从天线接收。与传统的基于 Si 或 SiGe 的技术相比，GaN 的更高功率处理能力转化为更高的传输范围和/或更少的驱动天线所需的元件。

降低外形尺寸和成本：迈向可行的硅基氮化镓技术平台

为了适合用作用户设备和小型基站中的 PA，设备的成本和形状因素与其电气特性一样重要。如前所述，由于该技术的固有特性，GaN 有助于减小前端模块的外形尺寸。但要实现高度缩放的外形尺寸，需要集成射频前端技术的各种组件。为了帮助实现这一目标，imec 正在将其GaN-on-Si 技术平台调整为 RF 应用，作为其 Advanced RF 计划的一部分。

出于节省成本的原因，Imec 选择了 GaN-on-Si 而不是 GaN-on-SiC ：不仅 Si 衬底更便宜，而且与CMOS 兼容工艺还可以实现大规模可制造性。GaN-on-Si 技术最初是为电力电子应用开发的，设想用于在电池充电器、计算机、服务器、汽车、照明系统和光伏设备中实现功率转换。然而，要使 GaN-on-Si 适合移动 RF 应用，还需要多项技术创新。必须尽可能地抑制器件结构内的寄生效应以达到高频。这些努力的例子包括通过开发具有升高的源极/漏极的技术模块和减少与栅极相关的寄生电容等方法来降低源极访问电阻。为更高的工作频率优化器件还需要进一步缩小栅极长度。这有利于更高的 fT和 f max，它是设备固有速度的度量。此外，缓冲层必须与 RF 兼容，以最大限度地减少 RF 衬底损耗。

Imec 用于 RF 的 GaN-on-Si工艺流程从 200 毫米硅晶片上外延结构的金属有机化学气相沉积生长开始。外延结构由专有的 GaN/AlGaN 缓冲结构、GaN 沟道、AlN 间隔层和 AlGaN 势垒组成。带有 TiN 肖特基金属栅极的 GaN HEMT 器件随后与低温三级 Cu 后端工艺集成，如图 1 所示。

正如 2020 年国际电子器件会议 (IEDM 2020) 上展示的那样，Imec 研究人员使用这个 CMOS 兼容平台来制造 GaN HEMT。栅极金属堆叠、接触电阻和栅极长度按比例缩放至 110nm 的优化导致器件的 fmax 达到135GHz ，这代表着向毫米波应用迈出了一步。

PA 的关键品质因数是晶体管可以提供的输出功率和效率。在 imec 的 GaN-on-Si 平台上获得了具有竞争力的结果，对于 0.19μm 的栅极长度 ( LG) 设备在 6GHz。这些结果在 2022 年欧洲微波周上展示，如图 2a 所示。

图 2b 在 IEDM 2022 上展示，比较了imec GaN-on-Si 工艺与其他 GaN-on-Si 和 GaN-on-SiC 工艺的性能。红色的 imec 数据是 GaN-on-Si 器件的最佳报告之一，可与 GaN-on-SiC 器件相媲美。使用较短的栅极长度可以提高 28GHz 下的测量性能。通过这些改进，imec 相信，专为满足用户设备要求而设计并采用 GaN-on-Si 工艺制造的放大器的 PAE 首次实现了与同等 GaN-on-SiC 放大器的同等水平。

近年来，在电力电子市场增长的推动下，GaN-on-Si 技术已经相当成熟，这主要归功于最初旨在用于电力电子应用的技术的发展。考虑到成熟度，深入研究设备操作背后的物理机制提供了一个额外的工具来改进设备特性。Imec 通过建模活动补充技术开发，最终将有助于实现更好的性能和可靠性。所获得的见解不仅有利于开发用于毫米波应用的 GaN HEMT 器件，而且还将提高其他应用领域的性能，包括基于 GaN 的电力电子产品。

通过离子注入进行器件隔离

作为这些建模活动的示例，本节重点介绍设备隔离。这是 GaN-on-Si 平台的技术构建模块之一。将 GaN HEMT 集成到通用 Si 平台时，器件必须相互电气隔离，相邻器件之间的泄漏路径尽可能少。这种电气隔离减少了功率损耗并改善了有源器件的击穿行为。对于 GaN HEMT，离子注入该技术已被证明是一种比其他隔离技术（例如台面蚀刻）更具吸引力的隔离方法，可提供更低的泄漏和更高的隔离区域击穿电压。该技术最初是为基于 GaN 的电力电子应用而开发的，它仍然是当今积极使用的隔离技术之一。

离子注入在 GaN 异质结构中引入了几个缺陷，这些缺陷充当电荷载流子的俘获中心。在物理学方面，这些缺陷使费米能级远离 GaN 的导带或价带。在器件周围区域注入离子，例如氮化物 (N) 离子，将减少导电自由载流子的数量，从而形成电绝缘区域。在实验中，研究人员还观察到离子注入引起的损伤在高温（通常高于 600°C）退火后消失，从而影响隔离质量。

imec 的 GaN-on-Si 制造流程具有低外延后热预算，可确保高质量隔离HEMT 器件。Imec 已经展示了一种 GaN HEMT 离子注入隔离技术，该技术有助于报告最高的薄层电阻，其值在1013至1015Ω/sq的范围内。这是量化隔离的基本指标。图 3a 和图 3b 说明了 AlGaN/(AlN)/GaN 异质结构的薄层电阻 (R sh ) 的基准，这些异质结构经过离子注入隔离，具有不同的活化能大小和峰值加热温度。图 3a 中的基准表明隔离背后的常见物理机制，而图 3b 中的基准表明处理温度对隔离质量的主要影响。

离子注入隔离背后的机制：基本见解

为什么这种技术在剩余电流泄漏路径形成的地方如此有效和精确仍然是个谜。需要对离子注入区域的泄漏机制有一个基本的了解和建模。这有助于改善各种应用（包括毫米波通信）的热预算、注入剂量和能量等工艺条件。

理解绝缘背后的确切机制如此困难是有原因的。离子注入区充满了各种性质的缺陷。存在点缺陷，例如空位或间隙原子、缺陷复合物、外来离子杂质和晶格紊乱等等。此外，极化电荷存在于 AlGaN 和 GaN 之间的界面。这种复杂的缺陷和电荷混合物使得模拟隔离异质结构内的电荷行为和定位泄漏路径变得极具挑战性。

通过结合实验和建模工作，imec 研究人员首次揭示了孤立的基于 GaN 的异质结构中的泄漏机制。这项工作的详细信息已发表在《应用物理学杂志》上。通过设置具有不同 AlGaN 和 AlN 厚度的专用实验，研究人员提取并分析了隔离区域的薄层电阻和相应的激活能。这些实验的结论是，主要的泄漏是通过GaN 表面的电子欧姆路径发生的. 回到物理学术语，这转化为 GaN 表面附近的 GaN 导带向下弯曲。这些见解为更详细的孤立异质结构建模和重建其能带图奠定了基础。该理论有助于提取这些隔离注入区域中的净缺陷密度，对于这些实验，GaN 和 AlGaN 分别为∼2×1019cm-3和∼2×1018cm-3 。这些缺陷中的大多数被发现为点缺陷. 点缺陷是通过离子注入技术产生的，并通过 imec 的低热预算 HEMT 制造避免了复合。点缺陷的高密度对于限制 GaN 表面能带弯曲并因此限制泄漏至关重要。图 4a 和图 4b 说明了 GaN 异质结构中的泄漏机制。图 4a 显示了传输线模型结构中的表面泄漏路径与整体泄漏路径。图 4b 说明了 AlGaN/AlN/GaN 异质结构的能带图，显示了 GaN 表面的能带弯曲。