东芝已采用镓化砷技术为C波段应用开发出90W器件并为Ku波段系统开发出30W器件。事实上，通讯系统设计者一直试图在这些频率下达到更高的功率水平。为了在微波频率下达到更高的固态功率水平，在过去的二十年里，东芝已经在金属取向附生半导体FET (MESFET)拓扑、高电子移动晶体管(HEMT)结构和异质结FET(HFET)等不同的结构中使用了基于镓化砷的技术。遗憾的是，镓化砷技术似乎在散热方面已逼近实际材料性质的极限，进而限定了给定尺寸晶片的功率产生量。

东芝公司从2003年起开始研究可用于大功率微波放大的下一代材料。金刚砂(SiC)和氮化镓(GaN)是两种在早期被认为最有希望的材料。考虑到东芝在微波产品方面的知识、能力和经验，对这些材料的一个关键要求是在更高频率(C波段及以上)具有良好性能。在这两种材料中，东芝已经选择主攻氮化镓-对于这种材料，人们最熟悉的产品或许是蓝色发光二极管(LED)。除光子特性外，氮化镓具有一些作为微波功率器件的极好特性，其中包括：电子移动能力高；击穿电压高；工作温度高。

研究表明，与镓化砷相比，氮化镓提供更高的饱和电子速度和更高的击穿电压。由于这些特性，氮化镓可达到比镓化砷器件更高的性能并可运行在微波范围之外。另外，由于氮化镓的能带隙较宽，同镓化砷器件相比，氮化镓功率放大器可以运行在更高的温度下。

东芝公司最近宣布已开发出工作性能远高于目前在地面和卫星微波通讯的基站中广泛使用的镓化砷FET的氮化镓功率FET。这种新型三极管在6GHz的输出功率可达到174W，这是到目前为止在这个频率下所报道的最高性能。这个突破性的性能改善是通过对取向附生层和各种芯片结构在6GHz频段下工作进行优化并采纳一种4芯片组合结构把热积累降到最低来实现的。图1显示了这种大功率氮化镓HEMT的一个结构模型。

氮化镓功率HEMT

开发氮化镓HEMT的要点如下：选择一个基础基底；改进器件的生产工艺(如降低门泄露电流、形成良好的欧姆电极、控制可能发生电流击穿的条件)；通过在一个封装中包含多个晶片并考虑与芯片安装方式有关的热耗散来达到期望的功率。

氮化镓HEMT结构可使用晶体(如蓝宝石、SiC或硅)晶圆作为基础基底。采用分子梁取向附生(MBE)或金属有机化学蒸汽沉积(MOCVD)方法把氮化镓和氮化镓铝作为生长层增加到基础基底上。这里，氮化镓层和氮化镓铝层按顺序(取向附生式生长)形成，进而构成基底结构。基础基底应优先选用氮化镓晶体晶圆；然而，由于现有技术无法生产出这样大的晶圆，目前使用表中列出的基础基底作为替代材料。

在该表中给出的各种可选基底都有各自的优缺点。由于SiC在生长层具有较高的导热性和晶体质量，易于实现较高功率器件，在这种新型氮化镓器件中使用了SiC基底晶圆。

工艺的改进

氮化镓击穿电压高。然而，由于工艺问题，在电极之间或半导体晶体的内部可能会产生门泄露电流，导致高压运行能力降低。目前，人们认为这个电流泄露路径出现在氮化镓铝层和电介质钝化膜的边界上或通过氮化镓铝层中的一些晶体缺陷进入基底。

在SiC基底中还存在被称为“重组(rearrangement)”或“微管(micropipe)”的晶体缺陷。使用光学表面分析仪可以看到这种现象并找到在SiC基底上漫延到氮化镓铝层或氮化镓层的晶体缺陷。通过把来自分析仪的图像重叠到在生长层上形成的氮化镓功率HEMT的图案上(图2)，可视化光学表面分析使我们可以更方便地把缺陷晶体逐个与生产出的器件相比较。

图3显示了在有缺陷和无缺陷基底上制造的HEMT的门泄露电流对比。这个分析表明，改进器件特性的最重要手段是减小从晶体晶圆漫延到生长层的晶体缺陷。

在氮化镓HEMT开发过程中，在形成该电极之前对用来形成门电极的金属成分和工艺进行优化可减小来自门电极或氮化镓铝层表面的泄漏电流。但这种降低穿过生长层的泄露电流的方案实际上是改进晶体晶圆本身。因而，我们绕过这个问题，选择在无缺陷晶体基底上形成的氮化镓功率HEMT进行器件开发。

类似于镓化砷器件，要使用氮化镓制造的更高性能的器件，降低在漏极和源极之间的接触电阻是至关重要的。因为氮化镓是一种低电抗材料，其特性随电极的金属类型、形成电极之前所使用的工艺以及热处理工艺的变化而变化。在本案中采用了层压结构的钛系统电极并采用快速退火(RTA)技术进行高温下短期热处理。通过优化电极结构和仔细选择退火温度，有可能形成漏极和源极间接触电阻低于10 - 5 Ω cm2的欧姆电极。

氮化镓HEMT器件中常常出现被称为“电流崩溃”的电流不稳定现象。这个现象发生在三端口器件(如在氮化镓基底上形成的HEMT)中，因为当门电压固定时，漏极电流随漏极电压的升高而下降；对大功率器件而言，这是一个非常严重的问题。电流崩溃的原因目前依然是个谜，但一个逐渐被广泛接受的理论是该现象与电子诱捕水平有关并认为是由氮化镓半导体的表面缺陷所引起的。

在这个氮化镓器件的开发过程中，为抑制这样的电流崩溃，我们寻找并试验性采纳可避免在形成门电极之前和在表面钝化膜形成过程中对半导体表面造成损害的工艺和设备条件。

如前述，氮化镓HEMT器件的功率密度可达镓化砷器件的10倍。然而，两者的功率增加效率(PAE)几乎相同且发热量随着功率的提高而提高。因为能带隙比镓化砷宽，氮化镓HEMT可以运行在更高的温度下。但需要在氮化镓与组成该三极管的其它部件之间的热阻点对氮化镓器件的结构和尺寸进行仔细评价以优化功率密度和热辐射。

图4显示了一个已制造出的氮化镓功率HEMT的外观。在一个大功率三极管封装中安排了4个氮化镓芯片。这个特殊的布局可以防止热量集中在任何一个HEMT晶片上进而达到这种组合型氮化镓器件的最佳性能。

性能总结

最新研制出的6GHz氮化镓HEMT具有令人瞩目的输入/输出性能特性。当漏极电压为15V时，该器件在6GHz连续波(CW)运行模式的饱和输出功率达到+47.9 dBm (61.7 W)，在脉冲运行模式(脉冲宽度为100us，工作周期为20%)饱和输出功率为+48.5 dBm (70.8W)。线性增益在CW运行模式为11.5 dB，在脉冲运行模式为3.2 dB。

导致饱和功率(0.6 dB)不同的部分原因是工作温度不同。当运行在25 V漏极电压下时并采用脉冲运行模式(脉冲宽度为20?s，工作周期为2.5%)时，该器件的饱和输出功率达到+52.4 dBm(174 W)，线性增益为13.2 dB，功率附加效率(PAE)为34%。

当以6GHz频率在脉冲工作模式(脉冲宽度为100?s，工作周期为20%)工作时，该器件的I/O功率特性与漏极电压的关系表明输出功率随着漏极电压的提高而提高，这显示了同镓化砷MESFET器件相比氮化镓功率器件的巨大潜力。

可以在C波段提供150W以上输出功率的氮化镓HEMT功率器件的开发成功表明氮化镓技术具有巨大潜力，也表明该技术适于开发工作在微波频率的大功率三极管。但尽管用于现有的和正在出现的地面和空间基通讯系统的氮化镓功率HEMT器件商品正在不断取得进步，该技术目前还有一些问题需要克服(如材料缺陷、电流崩溃和有效的热设计优化)。

作者：Toshiaki Nakamura