１引言
ＧａＮ是一种热学和化学性能都很稳定的化合物半导体材料，特别适于制造高温器件。其代表性器件ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ具有优良的特性，包括宽禁带（３４ ｅＶ）、高击穿（＞５０ Ｖ）、高饱和速度（＞１×１０７ ｃｍ／ｓ）和高表面浓度（ｎｓ＞１×１０１３ ｃｍ－２）等，使其成为新一代优良的微波功率器件。由于成功地实现了传统的低压、原子层的ＣＶＤ淀积和ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ的掺杂等工艺技术，从而获得了高质量ＧａＮＡｌＧａＮ异质结和ＡｌＧａＮ二维
电子气，为制造更加独特的微电子器件提供了保障。据报道［１］，创造ＣＷ功率记录的ＲＦ器件水平在不断被刷新。ＮＥＣ公司首次开发出ＧａＮ／ＡｌＧａＮ功率
晶体管芯片，其输出功率达１００ Ｗ，刷新了Ｃｒｅｅ公司５１ Ｗ的记录；在华盛顿召开的国际电子器件会议上，Ｃｒｅｅ公司宣称其ＧａＮ ＨＥＭＴ在２ ＧＨｚ下，输出功率为１０８ Ｗ，其峰值漏效率η为５４％。该器件采用半绝缘ＳｉＣ衬底，其热导率比蓝宝石的高出１０倍，从而比较容易满足２４ ｍｍ栅宽，功率５４ Ｗ／ｍｍ的散热要求。ＧａＮ／ＡｌＧａＮ器件的其它参数如ｆｔ，ｆｍａｘ和ＮＦ也不断被刷新（表１），近来，器件值ｆｔ＝１２１ ＧＨｚ，ｆｍａｘ＝１６２ ＧＨｚ，ＮＦｍｉｎ＝０５３ ｄＢ（８ ＧＨｚ）／０７２ ｄＢ（１２ ＧＨｚ）／１０ ｄＢ（１８ ＧＨｚ）。值得指出的是，ＧａＮ器件已开始步入商品化实用化阶段。据称，ＲＦ Ｎｉｔｒｏ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ公司已经具备了ＧａＮ外延、
晶片加工设施的条件，有能力加工从５０ ｍｍ（２英寸）衬底到１００ ｍｍ（４英寸）ＧａＮ晶片。该公司首次推出商业化的ＧａＮ 基晶体管，提供芯片形式的５０ ｍｍ（２英寸）片（蓝宝石／ＳｉＣ衬底）：蓝宝石衬底器件ＮＧＮ１２５，１０ ＧＨｚ功率密度２ Ｗ／ｍｍ；ＳｉＣ衬底器件ＮＧＮ２２５，１０ ＧＨｚ功率密度６６ Ｗ／ｍｍ。其０３５ μｍ×１ ｍｍ（蓝宝石）或者０３５ μｍ×１５ ｍｍ（ＳｉＣ）器件的输出功率为１０ Ｗ［２］。在国际空间站中，Ｃｒｅｅ的ＧａＮ基ＨＥＭＴ正在进行辐射实验［３］。
长期以来，由于受到电气和热导性上的限制，阻碍了ＧａＡｓ器件的宽频带、大功率ＭＭＩＣ放大器的发展。然而，近年来ＧａＮ器件的迅速发展，使ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＦＥＴ获得的ＲＦ输出功率密度可达到１０～１２ Ｗ／ｍｍ，其功率放大的应用前景非常诱人。当然还有一些问题需要解决，才能更好地发展ＧａＮ
集成电路。
２材料
集成电路对材料的主要要求就是尺寸和质量。近年来，在ＧａＮ材料生长方面的进展很快，已经生长出５０ ｍｍ（２英寸）单晶ＧａＮ衬底，在材料质量和衬底制备方面也积累了不少经验。用于ＧａＮ器件外延材料生长的方法，经常采用ＭＢＥ或者ＭＯＣＶＤ技术。其外延材料结构大多属于六方或者立方型的晶体结构，前者生长在蓝宝石或者６Ｈ／４Ｈ ＳｉＣ衬底上，当前，大多数器件采用此类衬底。常用于ＧａＮ外延生长的衬底材料是蓝宝石或者ＳｉＣ，也有人采用Ｓｉ作为衬底。同蓝宝石相比，ＳｉＣ具有更优良的热导性和较低的ＳｉＣ／ＧａＮ膜材料晶格失配率（约３５％）。但是，ＧａＮ很难在ＳｉＣ上面形成有核层。实验表明［４］，预先在ＳｉＣ表面上淀积薄的ＡｌＮ缓冲层，可明显改善ＧａＮ膜的质量。适当地选择成核条件可在６Ｈ，４Ｈ和３ＣＳｉＣ衬底上外延生长ＧａＮ膜，其具体条件如表２和表３。
目前，ＧａＮ材料的尺寸和质量仍然是发展ＧａＮ ＨＥＭＴ ＭＭＩＣ的障碍，尤其是后者。必须将材料缺陷从１０９降低到１０５ ｃｍ－２，同时解决好ＧａＮ外延结构缺陷和晶格／热力失配缺陷问题。
３集成电路
为了充分利用ＧａＮ电子器件的大功率、高击穿和高温工作等优点，人们比较关注ＧａＮ基ＨＥＭＴ的应用范围，包括大功率微波（微波
功率放大器等）和射频控制的应用（开关、衰减和移相等），并获得了很好的研究结果。
３．１设计考虑
３．１．１器件比较
将ＧａＮ ＨＥＭＴ作为微波器件，用于微波集成电路和单片微波集成电路，无论从射频输出功率还是器件优值方面来看，均具有明显的优点，见表４和表５。制作放大器是晶体管的主要用途之一，由表５看出将ＧａＮ ＨＥＭＴ用于抗烧毁低噪声放大器（ＬＮＡ）将是一种理想的选择。据称，若将当今水平的１８～４０ ＧＨｚ，输出功率４０ Ｗ（ＣＷ）的模块，改变成采用ＧａＮ功率放大器和单电源芯片（新的封装），则其输出功率可提高１０～１００倍，体积和重量分别减少到１／３５和１／５０。
３．１．２制造工艺
为了进一步提高ＧａＮ基器件的ＲＦ技术水平，必须将所有重要的无源元件与有源器件集成在一起，真正实现ＭＭＩＣ。在工艺上，采用空气桥、ＭＩＭ电容、通孔、亚半微米工艺等。制作ＭＭＩＣ的晶片材料结构可以采用ＭＯＣＶＤ生长，它包括在４Ｈ ＳｉＣ衬底上，生长５０ ｎｍ ＡｌＧａＮ成核层，１～１５ μｍ ＧａＮ缓冲层和Ａｌ０３Ｇａ０７Ｎ势垒层。以Ｐｔ金属作为电子束和光学光刻对准的标记，用ＥＣＲ腐蚀设备，在Ｃｌ２系腐蚀气体中，深腐蚀２２０ ｎｍ，形成有源器件的台面和电阻。采用电子束光刻、剥离工艺，应用Ｔｉ（２０ ｎｍ）／Ａｌ（１２０ ｎｍ）／Ｔｉ（５５ ｎｍ）／Ａｕ（５５ ｎｍ）金属系统同二维电子气形成欧姆接触，并在８００ ℃下，在Ｎ２气氛中，退火３０ ｓ。采用直写电子束和三层抗蚀剂，形成蘑菇栅，栅长为０３ μｍ。采用光学光刻和剥离工艺，形成层互连线金属。然后，应用２００ ｎｍ厚的Ｓｉ３Ｎ４钝化层／介质层钝化器件表面，同时形成ＭＩＭ电容的介质层。钝化后，采用ＲＩＥ腐蚀设备，通孔连接层互连线金属，并采用第二层光致抗蚀剂和电镀工艺，将空气桥电镀金层加厚到２５ μｍ。
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＦＥＴ的射频输出功率密度达到１０～１２ Ｗ／ｍｍ，但是，这些器件经常出现电流下降、增益过早饱和、射频输出功率和附加效率退化的现象。业已表明［１３］，在大电流注入的条件下，出现源阻抗调制，从而产生过早饱和效应。为了消除该效应，必须修正器件设计，即提高阈值电压，加强空间电荷效应。此外，也可采用表面电荷控制结构，获得阈值电压Ｖｔｈ的化［１４］。如此既可获得高达２００ Ｖ的栅漏击穿电压、２２ ＧＨｚ下３６ Ｗ的输出功率，也可降低电流塌陷。其主要的思路是在ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ中，采用一层ｎ型掺杂、薄层ＧａＮ帽层，并在电极间采用ＳｉＮ作为钝化层。理论设计上，除了考虑ＧａＮ材料及其ＨＥＭＴ器件的特殊性之外，有关微波集成电路的设计工具，如ＡＤＳ等已是现成的。然而，在制作技术上，必须尽快研究解决好ＧａＮ器件的退化问题，包括电流塌陷、拖尾、电荷陷阱效应和表面钝化等问题。
３．２集成电路性能
３．２．１混合集成电路
据报道［９］，Ｃｒｅｅ公司采用的分立器件１２ ｍｍ栅宽的ＧａＮ ＨＥＭＴ设计混合的１０ ＧＨｚ窄频带放大器，采用平板电容作为匹配元件，并在氧化铝上制作１／４波长转换器，将输入和输出端的阻抗提高为５０ Ω。在频率为１０ ＧＨｚ时，该放大器的输出功率为３８ Ｗ，附加效率２９％，脉冲功率４２ Ｗ。该器件在ＳｉＣ的衬底上，先后生长了２ μｍ厚的非掺杂绝缘ＧａＮ层，５ ｎｍ厚的非掺杂ＡｌＧａＮ空间层，１２ ｎｍ厚的掺杂Ｓｉ的ＡｌＧａＮ层和１０ ｎｍ厚的非掺杂ＡｌＧａＮ覆盖层。在所有的ＡｌＧａＮ层中的Ａｌ组分为１７％。器件的栅宽和栅长分别为１２ ｍｍ和０４ μｍ。为了降低源电感，在ＳｉＣ衬底上，采用腐蚀通孔、镀金加厚工艺。近，采用封装的２ ＧＨｚ ＧａＮ器件制作混合放大器的应用结果，在２ ＧＨｚ频率下，ＣＷ输出功率１０２ Ｗ，效率５４％，功率增益２５ ｄＢ。
此外，ＧａＮ基倒装芯片ＩＣ也已获得良好的结果［１５］，在６～１０ ＧＨｚ的频带内，线性增益９ ｄＢ，输出功率１４１ Ｗ，比采用同样尺寸输出器件ＧａＡｓ ＨＥＭＴ的常规放大器高４～７倍。所采用的ＳｉＣ衬底ＧａＮ ＨＥＭＴ的栅长和栅宽分别为０５～０６ μｍ和１５０ μｍ。该电路采用共平面（ＣＰＷ）线，并制作在多晶ＡｌＮ衬底上，以获得廉价的成本和较好的热导性。电路芯片的尺寸为７１ ｍｍ×４８ ｍｍ。
３．２．２ＭＭＩＣ电路
（１）ＭＭＩＣ功率放大器
据报道［９，１０］，Ｃｒｅｅ公司不仅研制出工作频率１０ ＧＨｚ，输出功率５０ Ｗ的微波功率器件，而且还研制出只ＳｉＣ基ＧａＮ ＭＭＩＣ放大器，Ｖｄｓ＝３１ Ｖ，在１６ ＧＨｚ下，其脉冲ＲＦ输出功率２４ Ｗ（脉冲宽度２０ μｓ），约相当于同一频率下ＧａＡｓ ＭＭＩＣ的３倍。该ＧａＮ ＭＭＩＣ放大器的结果表明，宽频带应用频率高达２０ ＧＨｚ。
此外，ＭＭＩＣ多倍频程功率放大器也已获得可喜的进展［１２］。已研制的ＭＭＩＣ放大器制作在热导性优良的ＳｉＣ衬底上，是宽频带、大功率和可级联ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ ＭＭＩＣ放大器，具有高的增益和功率附加效率。该宽频带放大器ＭＭＩＣ由可级联增益单元（ｃｅｌｌ）和输入匹配网络组成，可级联增益单元在８ ＧＨｚ频率下，输出功率５ Ｗ，小信号增益１９ ｄＢ。已获得的宽频带放大器ＭＭＩＣ工作频率ＤＣ～８ ＧＨｚ，输出功率５～７５ Ｗ，附加效率２０％～３３％。此外，还研制了非均匀分布放大器（ＮＤＡ），其工作频率ＤＣ～８ ＧＨｚ，输出功率３～６ Ｗ，附加效率１３％～３１％。
（２）ＭＭＩＣ衰减器
据称，首次报道的ＧａＮ基ＨＥＭＴ ＭＭＩＣ衰减器具有良好的性能［１６］，该单片集成衰减器采用３个１ μｍ栅长和１００ μｍ栅宽、ｆｔ和ｆＭＡＸ分别为１７ ＧＨｚ和２４ ＧＨｚ的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ，作为控制元件，其宽频带宽高达１８ ＧＨｚ，大动态范围（＞３０ ｄＢ）工作性能可以同ＩｎＰ基和ＧａＡｓ基ＭＭＩＣ媲美，并明显提高了功率能力（１５ Ｗ／ｍｍ）。ＭＭＩＣ衰减器采用π型结构，包括１个串联、２个并联的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ，由共平面传输线连接。
４结论
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＦＥＴ能够获得的ＲＦ输出功率密度可以达到１０～１２ Ｗ／ｍｍ，其功率放大的应用前景非常诱人，ＭＭＩＣ放大器和衰减器等方面的研究已经取得了进展。但是，只有在ＧａＮ材料的尺寸和质量，器件的退化和表面钝化等问题解决以后，才能加快ＧａＮ集成电路的发展。
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［１６］ＡＬＥＫＳＥＥＶ Ｅ，ＨＳＵ Ｓ Ｓ Ｈ，ＰＡＶＬＩＤＩＳ Ｄ． Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ ＭＭＩＣ ａｔｔｅｎｕａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ［Ｃ］． ３０ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＧＡＡＳ＠２０００．
