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第三代半导体氮化镓微波器件具备高频、高效、大功率等特点,在新一代移动通信中应用潜力巨大。这一特定领域的突破标志着宽禁带半导体产业迈向新的高地。谁掌握着技术的高地,谁就拥有更多的话语权。

中科院半导体研究所所长助理、研究员张韵在第三代半导体微波射频技术分会分享了《III族氮化物基射频HEMT、HBT与滤波器》研究报告。他介绍说,III族氮化物材料具有禁带宽度大、击穿电场强、二维电子气迁移率高、高声速等优点,是研制高性能高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结双极晶体管(HBT)和高频滤波器等射频器件的理想材料。

氮化镓太赫兹HEMT研究中,短沟道效应导致的跨导降低,将直接影响器件频率特性。尽管高铝组分与超薄势垒外延结构可以缓解短沟道效应带来的问题,但同时也引起了欧姆接触难以制备的问题。选区再生长n+GaN源漏电极,可以为HEMT器件提供一个良好的欧姆接触特性。本文通过MOCVD再生长,实现了界面电阻仅0.004Ω·mm的选区再生长欧姆电极,并实现了154GHz最大振荡频率与64GHz截止频率。

张韵研究员表示,MOCVD选区外延n-AlGaN发射区并成功制备出AlGaN/GaN HBT器件。发射区面积为20×20μm2的器件Gummel plot测试显示直流电流增益为100,在国际上报道的选区外延GaN基HBT中处于领先水平。器件开启电压小于1V,膝点电压小于6.5 V,电流密度达到8 kA/cm2,击穿电压为97V@1μA,对应击穿场强约1.9 MV/cm。另外,我们发现,随着器件面积的减小,电流增益持续增加,这有利于获得高性能的射频HBT器件,实现在下一代通信中的应用。并在报告中详细介绍了射频器件性能。

他认为,受限于铌酸锂声速较低(3400-4000 m/s),商用铌酸锂基声表面波(SAW)滤波器工作频率通常低于3 GHz,难以满足通讯系统频率不断提升的需求,因此基于高声速AlN薄膜(5600-6000 m/s)的高频SAW滤波器成为研究热点。分别在铌酸锂衬底和AlN/蓝宝石衬底上制备出叉指宽度为2 μm的SAW滤波器,铌酸锂SAW滤波器的中心频率为426.7 MHz,而AlN基SAW 滤波器的中心频率高达703.3 MHz,为铌酸锂器件的1.65倍。制备的AlN基SAW谐振器的品质因数为1347,AlN基SAW 滤波器的插入损耗为8.71 dB。实验结果表明AlN材料在超高频滤波器、传感器方面具有重要的应用前景。


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