基于晶圓級高導(dǎo)熱異質(zhì)集成襯底實現(xiàn)最高截止頻率氧化鎵射頻器件

氧化鎵是超寬禁帶半導(dǎo)體材料的優(yōu)異代表，由于其禁帶寬度和擊穿場強(qiáng)遠(yuǎn)高于GaN，不僅可在更高場強(qiáng)、更高工作電壓下工作，大幅度提升輸出功率密度，還可以實現(xiàn)在高溫、強(qiáng)輻照等極端環(huán)境下的應(yīng)用。

約翰遜優(yōu)值（JFOM）與材料的擊穿場強(qiáng)和載流子的最大速度的乘積有關(guān)，綜合考慮了射頻器件的頻率和功率特性，是衡量射頻器件綜合性能最重要的指標(biāo)，氧化鎵的JFOM大約是GaN的2.6倍，表明氧化鎵在射頻器件領(lǐng)域同樣具有可觀的應(yīng)用前景。

美國空軍研究實驗室、布法羅大學(xué)等國外機(jī)構(gòu)已相繼布局開展氧化鎵射頻器件的研究。目前氧化鎵射頻器件面臨的問題較多，由于短溝道效應(yīng)、遷移率、熱導(dǎo)率等因素的制約，氧化鎵射頻器件頻率、電流密度、功率密度等性能指標(biāo)仍然處于較低的水平。特別是，氧化鎵的熱導(dǎo)率極低，僅為10W/m?K，是SiC的2%，導(dǎo)致氧化鎵射頻器件的散熱能力極差。嚴(yán)重的自熱效應(yīng)導(dǎo)致器件功率和頻率難以協(xié)同提升，很大程度上掣肘了氧化鎵射頻器件的發(fā)展。

應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，由南京大學(xué)、南京電子器件研究所、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所和西安電子科技大學(xué)杭州研究院組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊，提出基于高導(dǎo)熱碳化硅襯底與氧化鎵射頻器件異質(zhì)集成的架構(gòu)設(shè)計，利用萬能離子刀剝離和轉(zhuǎn)移技術(shù)實現(xiàn)了2英寸高質(zhì)量SiC襯底與50nm超薄氧化鎵薄膜的晶圓級異質(zhì)集成(圖1a)，結(jié)合低能離子注入溝道技術(shù)(IEEE Electron Device Lett. 44, 1060, 2023)，在國際上首次實現(xiàn)碳化硅基氧化鎵異質(zhì)集成射頻器件，器件的頻率性能達(dá)到目前公開報道最高值，相關(guān)成果以“Heterointegrated Ga2O3-on-SiC RF MOSFETs with fT/fmaxof 47/51 GHz by Ion-cutting Process”為題，于2023年10月24日在IEEE ElectronDevicesLetters上在線發(fā)表。

器件直流特性

柵長0.1μm的氧化鎵異質(zhì)集成射頻器件電流密度高達(dá)661 mA/mm，導(dǎo)通電阻低至24Ω·mm。該器件在-8V柵壓下關(guān)斷較好，沒有出現(xiàn)明顯的短溝道效應(yīng)，如圖1b所示。在15V漏壓下，閾值電壓為-7.5V，跨導(dǎo)57mS/mm。在-12V偏置柵壓下，關(guān)態(tài)電流低于1nA/mm，擊穿電壓達(dá)到90V，表明器件即使在高場下也未出現(xiàn)漏至勢壘下降效應(yīng)。

對比研究，相同結(jié)構(gòu)的氧化鎵同質(zhì)襯底器件電流密度僅為235mA/mm，出現(xiàn)明顯的自熱效應(yīng)。這表明異質(zhì)集成技術(shù)可有效提升器件的散熱能力。結(jié)合C-V和I-V曲線，提取了不同柵壓下溝道的電子面濃度、遷移率和方阻。結(jié)果表明，充分利用氧化鎵硅離子激活溫度低、熱擴(kuò)散長度小的優(yōu)勢，通過低能硅離子注入結(jié)合快速退火技術(shù)，實現(xiàn)了高電子濃度的類似2DEG的超薄導(dǎo)電溝道，溝道電子主要分布在距氧化鎵表面10nm范圍內(nèi)，可以有效解決射頻器件的短溝道效應(yīng)(圖1c)。

當(dāng)柵壓為8V時，電子面密度高達(dá)1.83×1013cm-2，遷移率為67cm2/V·s，溝道方阻低至5.07kΩ/sq。當(dāng)柵壓降低至-1V時，電子面密度隨之降低至1.1×1012cm-2，對應(yīng)的遷移率提高到118cm2/V·s (圖1d)。與氧化鎵同質(zhì)襯底器件相比，由于自熱效應(yīng)的有效抑制，溝道遷移率得到顯著提升，這也是助力氧化鎵異質(zhì)射頻器件電流密度提升的重要原因。

圖1. SiC基Ga2O3異質(zhì)集成射頻器件 (a)橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；(b)直流輸出特性；(c) C-V曲線和提取的電子濃度分布；(d)不同柵壓下溝道的電子面濃度、遷移率和方阻。

頻率特性和功率輸出性能

柵長為0.1μm器件的截止頻率fT和最大振蕩頻率fmax分別達(dá)到了47GHz的和51GHz，為目前氧化鎵射頻器件公開報道的最高水平，如圖2a所示。圖2b和2c對不同柵長的氧化鎵射頻器件的截止頻率fT和最大振蕩頻率fmax進(jìn)行對比。采用傳統(tǒng)體摻雜溝道，當(dāng)柵長縮短至0.2μm以下時，器件的截止頻率fT不再隨柵長的減小而繼續(xù)上升，表明器件已出現(xiàn)明顯的短溝道效應(yīng)。本工作采用低能離子注入溝道和異質(zhì)集成技術(shù)后，柵長0.5μm的器件fT·LG為5.45GHz·μm，對應(yīng)的載流子飽和速度高達(dá)3.42×106cm/s，與AlGaO/Ga2O3調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)的射頻器件相當(dāng)，表明采用低能離子注入溝道技術(shù)獲得了與2DEG性能相近的載流子輸運溝道。

采用負(fù)載牽引系統(tǒng)對柵長0.1μm的氧化鎵異質(zhì)集成射頻器件在2GHz頻率下的功率輸出特性進(jìn)行了測試。器件工作在連續(xù)波(CW)模式下，飽和輸出功率密度為296mW/mm，功率增益11dB，最大功率附加效率(PAE)為25.7%。隨著輸入功率的增加，功率增益一直保持較高水平，在輸出功率飽和前沒有出現(xiàn)明顯的下降。

圖2d對公開報道的氧化鎵射頻器件在不同頻率下的輸出功率密度進(jìn)行了對比，輸出功率密度與工作頻率呈反比關(guān)系，連續(xù)波下的輸出功率密度普遍小于脈沖模式下的。目前，公開報道的2GHz下連續(xù)波最大輸出功率為213mW/mm，其漏極工作電壓為20V。得益于更高的飽和電流密度和更好的散熱能力，本工作研制的氧化鎵異質(zhì)集成射頻器件在15V工作電壓下即實現(xiàn)了296mW/mm的連續(xù)波輸出功率密度。

圖2.柵長0.1μm的氧化鎵射頻器件(a)小信號增益；不同柵長氧化鎵射頻器件(b)截止頻率和(c)最大振蕩頻率對比；(d)不同頻率下氧化鎵射頻器件的輸出功率密度對比。

綜合而言，低能離子注入技術(shù)在溝道摻雜濃度和深度設(shè)計上具有較高的靈活度，通過優(yōu)化注入劑量和能量可實現(xiàn)高濃度的超薄導(dǎo)電溝道，抑制氧化鎵射頻器件的短溝道效應(yīng)，減小低遷移率導(dǎo)致的較高的溝道方阻，從而提升器件的電流密度和頻率特性；采用高熱導(dǎo)率的碳化硅襯底與超薄氧化鎵薄膜的抑制集成，可顯著改善氧化鎵射頻的散熱能力，抑制器件的自熱效應(yīng)，提升器件的電流密度，實現(xiàn)在連續(xù)波下工作。這一研究工作為氧化鎵射頻器件的發(fā)展開辟了新的解決思路，在一定程度上解決了制約氧化鎵射頻器件面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，有望推動氧化鎵在射頻器件領(lǐng)域的發(fā)展。

該研究工作由南京大學(xué)、南京電子器件研究所、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所和西安電子科技大學(xué)杭州研究院共同完成。南京大學(xué)博士生、南京電子器件研究所高級工程師郁鑫鑫與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所徐文慧博士為共同第一作者，葉建東教授、李忠輝研究員、歐欣研究員和韓根全教授為論文通訊作者。該研究工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重大/重點項目和廣東省重點研發(fā)計劃等項目的支持。

審核編輯：劉清