微波場精密測量歷史和里德堡原子微波電場精密測量原理

研究團(tuán)隊(duì)及主要成員介紹

團(tuán)隊(duì)主要成員來自荷蘭代爾夫特理工大學(xué) (Delft University of Technology)、中國科學(xué)院微電子研究所以及深圳第三代半導(dǎo)體研究院。該團(tuán)隊(duì)致力于氮化鎵器件工藝、設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，尤其是在氮化鎵二極管研究上取得過多項(xiàng)成果，曾在國際功率半導(dǎo)體器件與功率集成電路會(huì)議ISPSD 2018上受邀作口頭報(bào)告。

孫躍 (Yue Sun)

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)微電子系在讀博士研究生，團(tuán)隊(duì)主要成員之一。研究方向?yàn)榈谌雽?dǎo)體氮化鎵微波器件及應(yīng)用。專注于垂直型氮化鎵二極管的器件機(jī)理和關(guān)鍵制備工藝研究，針對(duì)高功率微波應(yīng)用場景的實(shí)際需求，負(fù)責(zé)氮化鎵微波器件樣品的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

文章引言

近日，來自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)博士研究生孫躍以第一作者的身份報(bào)道了在氮化鎵高功率微波器件領(lǐng)域取得的最新進(jìn)展，該工作與中國科學(xué)院微電子研究所合作完成。主要采用低損傷陡直臺(tái)面刻蝕技術(shù) (Steep-Mesa Etch Technology)，制備了準(zhǔn)垂直型氮化鎵肖特基二極管，其在關(guān)態(tài)下漏電流可低至10?? A/cm?2，開啟電壓0.7 V，比導(dǎo)通電阻低至0.21 mΩ·cm2，反向耐壓106 V。并以此為基礎(chǔ)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了氮化鎵肖特基二極管在高功率微波限幅器上的應(yīng)用，成功在L波段實(shí)現(xiàn)了高達(dá)40 dBm的連續(xù)波功率處理能力，并以低于27.2 dBm的泄漏功率為射頻前端接收器鏈路提供保護(hù)。

目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將其研究成果發(fā)表在期刊Electronics上。該項(xiàng)報(bào)道展示了氮化鎵材料在大功率微波器件領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，產(chǎn)品可廣泛用于5G通信、無線充電和新能源汽車等領(lǐng)域，具有非常廣闊的市場前景。

研究背景

伴隨著5G通信時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)的無線傳輸速率逐漸提高，同時(shí)也對(duì)射頻通信器件的功率和頻率范圍等提出了新的需求。微波限幅器已廣泛用于各種無線通信系統(tǒng)的射頻前端接收器上，例如包括用于5G的蜂窩式移動(dòng)通信系統(tǒng)和微波無線電通信系統(tǒng)。微波限幅器的作用是能夠允許低于某個(gè)閾值的微波信號(hào)通過，而超過該閾值的功率較大的微波信號(hào)會(huì)被衰減，可以用來防止與其連接的接收電路中敏感元器件的損壞。現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的發(fā)展需要高性能的限幅器，該限幅器需在寬頻帶和高輸入功率下工作，并且具有較高的集成度和較低的產(chǎn)品成本。近年來，對(duì)基于硅材料的二極管限幅器已經(jīng)有許多的研究。然而隨著硅材料逐漸達(dá)到其理論極限，其性能進(jìn)一步改進(jìn)的空間變小。與之相比，作為寬禁帶半導(dǎo)體的氮化鎵 (GaN) 材料具有高電子飽和速度、高電場強(qiáng)度和耐高溫等優(yōu)異的材料性質(zhì)，這使得它非常適用于制造高功率微波器件，同時(shí)具備很大的提升空間。

典型的射頻收發(fā)系統(tǒng)原理圖。在接收電路中，限幅器被用于保護(hù)低噪放LNA等敏感元器件。

陡直臺(tái)面刻蝕技術(shù)

(Steep-Mesa EtchTechnology)

研究人員專門針對(duì)氮化鎵研發(fā)了一種陡峭臺(tái)面刻蝕技術(shù)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)面?zhèn)缺谂c底面夾角控制在90°左右，同時(shí)刻蝕后的材料表面仍然非常光滑。一方面陡峭臺(tái)面?zhèn)缺诘膶?shí)現(xiàn)有助于將準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)的二極管陽極和陰極間距有效地縮短，降低導(dǎo)通電阻。另一方面陡峭臺(tái)面的實(shí)現(xiàn)降低了干法刻蝕損傷，使器件在關(guān)斷狀態(tài)下能夠保持非常低的漏電流，提高了器件的開關(guān)比 (≥1E12)，有助于實(shí)現(xiàn)高性能的垂直氮化鎵二極管。

圖為采用Steep-Mesa Etch 技術(shù)實(shí)現(xiàn)陡直的臺(tái)面結(jié)構(gòu)和光滑的刻蝕面。已發(fā)表在Nanomaterials期刊 (DOI：10.3390/nano10040657)。

準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵肖特基二極管器件結(jié)構(gòu)圖，F(xiàn)IB切片圖、器件SEM電鏡圖。

準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵肖特基二極管器件制造主要步驟流程圖。

準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵肖特基二極管的正向與反向的電流-電壓特性，展示了器件的直流性能。

基于準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管限幅器

兩個(gè)氮化鎵肖特基二極管和兩個(gè)分別位于輸入和輸出端口的隔直電容，組成了單節(jié)對(duì)管限幅器電路。當(dāng)輸入功率較低時(shí)，二極管處于關(guān)閉狀態(tài)，大部分的輸入信號(hào)都能夠傳輸至輸出端口。當(dāng)輸入功率超過閾值水平時(shí)，二極管處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，為輸入信號(hào)提供了到地的導(dǎo)通路徑，只有少部分泄漏的信號(hào)會(huì)傳輸至輸出端口。因此，輸入功率被限制在一定的閾值功率上，以防止大功率信號(hào)對(duì)敏感元器件的損傷。

測試時(shí)，分別選擇1 GHz和2 GHz的微波信號(hào) (L波段) 作為輸入，其輸入功率的大小從0 dBm逐漸增加，直至模塊燒毀。測量結(jié)果表明，氮化鎵二極管限幅器的閾值功率為13 dbm左右，當(dāng)輸入功率低于13 dBm時(shí)，微波信號(hào)在限幅器中的損耗可以忽略不計(jì)。限幅器可以承受至少40 dbm的連續(xù)波輸入功率而不發(fā)生故障。當(dāng)輸入功率超過最大功率時(shí)，氮化鎵二極管由于自熱問題而發(fā)生故障。

準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵肖特基二極管限幅器的電路原理圖，顯微鏡觀察下器件的裝配圖，以及展示限幅器性能的輸入-輸出功率關(guān)系。

展望

為了進(jìn)一步提高氮化鎵肖特基二極管限幅器的性能，在未來應(yīng)該解決以下四個(gè)方面的問題：

首先，在低輸入功率下，尤其是對(duì)于高頻信號(hào)，二極管的結(jié)電容決定了限幅器的插入損耗。結(jié)電容越低插入損耗越低。在一個(gè)支路上串聯(lián)多個(gè)二極管可以減小總電容，但會(huì)增加二極管限幅器的閾值電平。另外可以通過降低漂移層的摻雜濃度，增加漂移層的寬度或減小肖特基接觸面積來降低結(jié)電容，但是這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增加。

其次，二極管的較低的導(dǎo)通電阻可以充分地衰減超過閾值功率的微波信號(hào)。通過提高漂移層摻雜濃度或減小漂移層厚度雖然能夠降低導(dǎo)通電阻，但同時(shí)也會(huì)降低二極管的反向耐壓。要想同時(shí)具備低的導(dǎo)通電阻和較高的反向耐壓，可以通過改善氮化鎵材料的晶體質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)，保證材料具有高的電子遷移率和低的位錯(cuò)密度。

第三，改善氮化鎵二極管的散熱可增強(qiáng)限幅器的功率處理能力。這就需要采用先進(jìn)的熱管理技術(shù)，例如使用高導(dǎo)熱率的襯底 (SiC和金剛石) 或剝離異質(zhì)襯底 (藍(lán)寶石和硅) 等方法。

最后，基于氮化鎵PiN二極管和氮化鎵SBD的多級(jí)限幅器可以有效地降低泄漏功率并調(diào)整起限電平。另外，單片微波集成電路 (MMIC) 為集成多級(jí)二極管的限幅器的提供了可能性，從而可以在寬頻帶下耐受更高的輸入功率。

原文標(biāo)題：國際首次報(bào)道基于準(zhǔn)垂直型氮化鎵肖特基二極管的高功率微波限幅器

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