这个GaN技术牛！8英寸、2DEG提升20%

这个GaN技术牛！8英寸、2DEG提升20%

最近，空气水集团（AIR WATER）官网宣布，其创新的GaN技术获得了2021年度“半导体电子材料类大奖”。

据介绍，该公司是全球首家量产GaN-on-SiC-on-Si层叠结构器件的企业。即使采用廉价的硅衬底，该结构的2DEG依旧可以达到2110 cm2/V-s ，相比硅基GaN提升了20%，很好地解决SiC基GaN成本高、硅基GaN性能差等问题，大幅降低GaN器件成本，从而有望加速5G通信的普及。

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成本太高、性能太差

传统结构挑战多多

众所周知，GaN器件具备高功率密度和高电子饱和速度等优点，因此在射频、微波和毫米波应用领域非常有竞争力。但是GaN器件要打入这些领域还存在多重挑战。

首先，碳化硅和氮化镓衬底生产成本太高，尽管SiC衬底GaN高频晶体管已经投入实际应用，但仅限于高端基站使用，很难进行广泛商业化。

其次，虽然硅衬底GaN器件具有潜力，6英寸硅衬底GaN高频晶体管的开发和商业化也取得了 一定的进展。但由于存在高热失配(33%) 和晶格失配(17%) ，因此很难在硅衬底上生长高质量、无裂纹的GaN外延层，导致晶体管在工作过程中一旦发热，绝缘性能会变差，能量损失会增加。

还有，硅基GaN器件还存在硅衬底电阻率低的问题，这会带来高寄生电容，从而阻碍器件的高频性能。

层叠GaN结构

提高质量、减少泄漏

为此，2004年空气水集团开始创建一种层叠GaN结构技术。

该结构是这样的：首先，采用廉价的硅衬底；其次，使用独特的成膜技术，在硅衬底上生长高质量的3C-SiC薄膜；然后，在SiC薄膜上依次生长2 μm的含铝III-N缓冲层、6μm的GaN层，和23 nm 的AlGaN势垒层。

该公司认为，在GaN和硅衬底之间引入稳定的3C-SiC中间层，这样可以抑制裂纹产生，并提高硅衬底的GaN薄膜的晶体质量。

而厚厚的氮化物层能够抑制由硅衬底低电阻率产生的寄生效应，而缓冲层可以最大限度地减少RF泄漏。

据介绍，2012年，该公司就开发了大直径（最大直径8英寸）的硅基SiC。2013年4月它在日长野县建立了中试工厂。2020年4月开始试产硅基SiC衬底，以及基于该衬底的GaN高频器件。

层叠GaN结构

提高质量、减少泄漏

相比硅衬底，基于3C-SiC的GaN器件电子迁移率提高约20%，而且SiC薄膜具有高导热性，因此也提高了晶体管的散热性能。该GaN器件的2DEG达到2110 cm2/V-s，薄层电阻为280 Ω /□。

对于栅极长度(Lg )为2 μm、栅极宽度为2×50μm的器件，其小信号特性实现了4.8 GHz 的截止频率。而且在高达125 ℃高温下，其射频泄漏也非常低。

在室温下，该器件实现了47%的PAE，同时提供了2 W/mm的输出功率，以及17.2 dB的最大线性增益，漏极和栅极偏置分别为+22.5和-1.5 V。

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