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議ISPSD 2018上受邀作口頭報告。

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通信時代的到來，數(shù)據(jù)的無線傳輸速率逐漸提高，同時也對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閾值的微波信號通過，而超過該閾值的功率較大的微波信號會被衰減，可以用來防止與其連接的接收電路中敏感元器件的損壞?，F(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。

陡直臺面刻蝕技術(shù)

(Steep-Mesa EtchTechnology)

研究人員專門針對氮化鎵研發(fā)了一種陡峭臺面刻蝕技術(shù)，實(shí)現(xiàn)臺面?zhèn)缺谂c底面夾角控制在90°左右，同時刻蝕后的材料表面仍然非常光滑。一方面陡峭臺面?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

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

測試時，分別選擇1 GHz和2 GHz的微波信號 (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，微波信號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，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)該解決以下四個方面的問題：

首先，在低輸入功率下，尤其是對于高頻信號，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。在一個支路上串聯(lián)多個二極管可以減小總電容，但會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。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，但同時也會降低二極管的反向耐壓。要想同時具備低的導(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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