突破二十年纪录：西电联合苏州能讯在IEDM发布超高功率密度GaN射频器件技术

近日，由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授、周弘教授的研究团队与苏州能讯合作，在氮化镓射频功率器件研究中取得重要突破。

该项研究通过采用未掺杂的超宽带隙AlN缓冲层并优化其生长工艺，成功制备出具有原子级陡峭AlN/SiC界面的AlGaN/GaN/AlN-on-SiC HEMT，实现了低热阻和创纪录的功率输出密度。

该成果以“Low Thermal Resistance X-band AlGaN/GaN/AlN-on-SiC RF Power HEMTs with Record P_out = 41 W/mm and f_T×BV = 31 THz·V”为题，发表于全球微电子领域顶级学术会议——国际电子器件会议（IEDM）上。西电周弘教授为第一作者，西电张进成教授、张雅超教授、苏州能讯高能半导体有限公司裴轶博士以及香港大学张宇昊教授为共同通讯作者。合作单位包括航天博目、武汉大学和香港大学。此项研究一举突破了X波段GaN功率器件性能长达二十年的停滞局面，为下一代高功率、高效率射频系统提供了有效的技术路径。

研究背景

过去二十年，氮化镓高电子迁移率晶体管已成为高性能射频功率应用的基石。然而，在追求更高功率密度的道路上，器件的自热效应成为了最主要的限制因素。传统的GaN-on-SiC技术通常采用岛状成核的AlN层和微米级厚度的GaN缓冲层，这导致了异质界面处的界面热阻和整体外延结构的热阻居高不下，使得X波段（8-12 GHz）的输出功率密度长期停滞在30-33 W/mm。

研究亮点

本研究提出使用未掺杂的AlN缓冲层，并优化其生长工艺。通过低的V/III比（800）和生长速率（2.5 nm/min），实现了具有原子级陡峭AlN/SiC界面的薄膜状AlN缓冲层。与传统的岛状成核相比，这种新型AlN缓冲层降低了界面热阻R_TB和位错密度，并进一步允许生长具有与传统微米级厚度的GaN缓冲层相似位错密度的薄（210 nm）GaN沟道层。这些外延进展使得器件热阻R_T降低了70%以上。通过这一技术平台，所制备的射频功率HEMT器件展现出全面领先的卓越性能。在热学特性上，器件的整体热阻低至2.1 K·mm/W，不到传统器件的三分之一，这意味着在相同功耗下，芯片结温显著降低，可靠性和寿命大幅提升。在射频性能上，器件实现了最高72/134 GHz的 f_T/f_max，而其 f_T×BV 品质因数达到31THz· V。在10 GHz工作频率、115V高漏压条件下，器件输出了41 W/mm的饱和功率密度，并同时保持 了51%的功率附加效率。这一功率密度显著优于业界此前最佳水平，为下一代高功率、高效率射频系统树立了全新的技术标杆。

图1 AlGaN/GaN/AlN-on-SiC 射频 HEMT 的截面和三维示意图以及关键的工艺步骤

图2 不同生长条件下的AlN/SiC界面的高分辨率TEM图像

苏州能讯在氮化镓射频高功密密度方向持续创新，推出了高性能高可靠性的量产工艺平台：DG2521。该代工平台采用0.25 µm制程，以4吋SiC为衬底，减薄厚度为75 µm，支持60V、 Sub-18 GHz应用，有源器件包含功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、开关（SW），无源器件主要包括电容、电感、电阻、传输线。

表1：DG2521平台的PA在X波段不同应用电压下的大信号性能

DG2521平台的PA在X波段不同应用电压下的大信号性能（含输出二次谐波匹配）如上表所示，在10GHz、60V条件下，其PAE达81.4%，功率密度达15.8 W/mm。值得一提的是，该平台的击穿电压超250V，可支持60V以上的电压应用。

为满足不同功率的设计需求，平台提供了智能的可视化参数化单元（Parameterized Cell），同时支持可变源、漏极宽度用以满足多种散热和面积设计需求。为克服单一器件在击穿电压及输出功率上的缺点，同样推出了Common Gate类型的晶体管模型。可通过设计堆叠晶体管（Stacked-FET）的拓扑结构，实现电压的平均分配，有效的增加总输出电压摆幅，提高输出功率同时获取更宽带宽的输出匹配网络。

图5 堆叠晶体管模型示意图