碳化硅電子:全球協(xié)會(huì)提倡SiC高頻PIN二極管

    PIN二極管廣泛應(yīng)用于移相器、轉(zhuǎn)換器、衰減器和RF上的限制器、超高頻和微波系統(tǒng)。這些器件——應(yīng)用范圍從民用和軍事雷達(dá)到移動(dòng)電話基站發(fā)射和衛(wèi)星通信裝置——被首選的原因是較便宜、更可靠、持續(xù)時(shí)間更長，能在較高速下工作。在低的直流偏壓下，它們能在高微波功率水平下工作，因此它們效率也更高。這些 PIN的頻率響應(yīng)也好，由于對(duì)給定的導(dǎo)通電阻它們有相對(duì)低的靜態(tài)電容，而它們較高的截止電壓使它們?cè)诟吖β驶蛘吒哳l應(yīng)用中，具有比MESFET更突出的優(yōu)勢(shì)。

    目前高頻器件都是由GaAs和Si材料制成的。然而，由于SiC材料本身具有卓越的特點(diǎn)，用它來代替GaAs和Si材料制造這些高頻器件，性能會(huì)更好。siC材料制備的器件高的轉(zhuǎn)換速度和等同的微波功率控制能力，或在相同的轉(zhuǎn)換速度時(shí)，可提供更大的微波功率控制能力。

    轉(zhuǎn)換成SiC PIN也能省去一些器件，使電路更簡化。當(dāng)使用Si PIN時(shí)，在脈沖模式下，幾個(gè)二極管必須聯(lián)合控制超過幾千瓦功率，這導(dǎo)致復(fù)雜的窄帶電路，并增加了需要專門的制冷系統(tǒng)的不足。用SiC，控制幾千瓦RF功率只需一個(gè)或兩個(gè)二極管，因此寬帶電路變得更簡單，且更容易制冷。

    功率控制要求對(duì)當(dāng)今的二極管也更緊迫，因?yàn)楝F(xiàn)在尖端的飛機(jī)是隱形飛機(jī)，它們反射的能量低，探測(cè)它們需要更高的能量。  當(dāng)用在這些應(yīng)用上時(shí)，Si 的低擊穿電壓限制了二極管輸出和它的低熱導(dǎo)，阻礙散熱。SiC PIN與Si作比較，在這兩方面表現(xiàn)更好。它們也能在比Si和GaAs器件高的溫度下工作，二者典型的限制環(huán)境低于175℃；SiC PIN的相對(duì)耐高溫特性使得它能應(yīng)用在惡劣環(huán)境，如在蒸氣機(jī)和飛機(jī)渦輪上。

    GaN與SiC在幾個(gè)特性上存在相似性，因而有潛力成為高功率微波PIN二極管的材料候選者，但它實(shí)際上有幾個(gè)不適合的原因，不像SiC，它不適合制造在高功率條件下提供十分穩(wěn)定的垂直輸送器件；再者，GaN的p型重?fù)诫s也困難，這使接觸電阻較高；也不可能在器件邊緣生長出高質(zhì)量鈍化的熱氧化物。最后GaN襯底的嚴(yán)格實(shí)用性意味著制造必須在外來平臺(tái)上進(jìn)行，如藍(lán)寶石，這又導(dǎo)致了散熱差和高器件電阻。

    由于上述幾點(diǎn)，在研究和商業(yè)化應(yīng)用寬帶材料方面，目標(biāo)集中在SiC上�？偟膩碚f，PIN二極管正被開發(fā)為低頻轉(zhuǎn)換器需求和SiC MESFET高頻微波應(yīng)用，勿需驚訝，因?yàn)榈皖lSiC PIN二極管的市場(chǎng)數(shù)量級(jí)比對(duì)應(yīng)的較高頻器件的大。另外，對(duì)于各種形式的化合物半導(dǎo)體技術(shù)，當(dāng)前的趨勢(shì)是用MMIC替代微波二極管，這也為我們提出了疑點(diǎn)：為何與SiC相關(guān)的微波部分的研究計(jì)劃都是針對(duì)MESFET的？

    然而，SiC微波 PIN二極管有潛力實(shí)現(xiàn)高性能，它們不能忍受許多傳統(tǒng)問題，如大量的缺陷，以及由于正偏壓衰變而破壞用作功率電子的SiC器件，很少有缺陷是較小器件尺寸的直接結(jié)果，這需要降低電容和放大高頻特性來解決。這些芯片在尺寸上較小，針對(duì)應(yīng)用中要求5kW或更高的功率控制，有源層厚度能被降到6祄以下。

    為加速SiC PIN的發(fā)展，五年前，希臘－研究技術(shù)基金會(huì)（FORTH）建立一個(gè)協(xié)會(huì)由Svetlana Electronpribor和俄羅斯約飛研究所和烏克蘭ORION組成，由密歇根州大學(xué)的George Haddad管理，他是近40年來Si和GaAs基二極管的領(lǐng)先開發(fā)者。

    我們協(xié)會(huì)已經(jīng)在4H襯底上制成了SiC PIN二極管，并在寬帶開關(guān)上進(jìn)行了測(cè)試，它能在X-band（8-12GHz）范圍內(nèi)工作。外延結(jié)構(gòu)和器件的幾何結(jié)構(gòu)被優(yōu)化過后，這些器件可投入制造；他們這么做能充分利用現(xiàn)有的工藝技術(shù)以及可用性材料。

    4H-SiC二極管采用CVD法生長的，而商業(yè)化的外延片和材料是在Ioffe Institute通過升華方法（參見“制造4H-SiC PIN”和圖1中對(duì)二極管封裝的描述）制得。用CVD法生長的二極管其直流特性和快速開關(guān)性能表現(xiàn)優(yōu)秀。在100mA驅(qū)動(dòng)電流下，漂移層電阻是1.6×10-4Ωcm2，表明基層可進(jìn)行有效的電導(dǎo)調(diào)制，以及有可能將開關(guān)速度調(diào)節(jié)至10ns以下。對(duì)于直徑大于150祄的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，在100V擊穿電壓時(shí)，其電容完全控制在0.5pF以下，這說明這種臺(tái)面結(jié)構(gòu)有潛力在高頻下工作。

    在適合功率X-band的特殊可調(diào)波導(dǎo)單刀單擲開關(guān)（SPST）應(yīng)用領(lǐng)域（圖2），我們已經(jīng)預(yù)估了80-150祄封裝器件的特性，這種類型開關(guān)的關(guān)鍵是高速、高功率工作，輸入信號(hào)的高低轉(zhuǎn)換分別在“開”和“關(guān)”狀態(tài)。在“開”狀態(tài)，若插入損耗為0dB，一個(gè)完好的開關(guān)將產(chǎn)生和輸入信號(hào)一樣的輸出信號(hào)；在“關(guān)”狀態(tài)，若絕緣值無窮大，則沒有信號(hào)傳輸。

圖1. 晶片被劃片成600×600μm芯片，每一個(gè)芯片都包含一個(gè)單二極管，這些芯片隨后通過擴(kuò)散焊接方法被焊接和用熱壓力去形成5μm厚的上金層封裝，在溫度達(dá)700℃時(shí)仍保持機(jī)械強(qiáng)度；由于在封裝中加入了特殊的高溫聚酰亞胺，在溫度達(dá)到600℃時(shí)能使SiC PIN二極管的漏電流低于10μA。

    在窄帶之外的 8.5-10.5GHz頻率范圍內(nèi)，我們的單刀單擲開關(guān)（SPST）其隔離度19-25dB，插入損耗小于2dB，這項(xiàng)損耗類似于工作在幾千兆赫茲下的商業(yè)用硅基RF開關(guān)，隔離度通常超過30dB。對(duì)開關(guān)進(jìn)行廣泛而又長期的熱應(yīng)力測(cè)試，證實(shí)了開關(guān)的電學(xué)特性十分穩(wěn)定。

    我們也已經(jīng)進(jìn)行了高功率測(cè)試：在9.5GHz下，測(cè)定100祄直徑的二極管的功率處理能力。這些測(cè)試包括使用1祍脈沖，開關(guān)時(shí)間比為1000，在“開”狀態(tài)驅(qū)動(dòng)電流是 100mA，“關(guān)”狀態(tài)的電壓是100V。開關(guān)“開”時(shí)，在微波功率為2kW時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的隔離度（22.5dB），在“關(guān)”時(shí)當(dāng)功率達(dá)到1.8kW 時(shí)器件的插入損耗低于1dB。當(dāng)所用驅(qū)動(dòng)為100mA時(shí)，由于差動(dòng)電阻阻值大于1Ω，從而產(chǎn)生了相應(yīng)的低隔離度。

    通過建立兩種類型的含多個(gè)二極管的調(diào)制電路，我們已經(jīng)改善了開關(guān)的絕緣性和寬帶工作能力。我們的三極管調(diào)制電路是對(duì)針對(duì)便攜通訊系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，既小巧，且方便使用，而我們的樣品包括兩個(gè)二極管，適合高溫工作；三極管封裝則產(chǎn)生30dB的隔離度，插入損耗低于2dB，在1-6GHz頻帶開關(guān)時(shí)間低于30ns，在2-7GHz之間溫度達(dá)到300℃。它的兩個(gè)二極管部分產(chǎn)生的插入損耗僅在1-2.5dB之間，隔離度在33-45dB之間（圖3）。隔離度的峰值實(shí)際上隨溫度增加而增加，這首次證明了SiC PIN適用于高溫高頻領(lǐng)域，我們將繼續(xù)研究這些PIN電路在高功率連續(xù)波和脈沖信號(hào)下的工作特性。

圖2. 單刀雙擲（SPDT）開關(guān)通過PIN二極管傳送RF信號(hào)到地面，二極管的電阻通過正直流信號(hào)控制。該原型的制作包括：用Al/Au微帶線在500μm藍(lán)寶石電介質(zhì)上形成耐高溫的微波混合集成電路（HIC），二極管上面的接觸用60μm厚的金絲連接到微波IC板上，它的背面通過熱壓輔助焊接到Ni/Au模板（接地）；之后，耐高溫電介質(zhì)化合物注入PIN中，以防止它在高壓下被空氣電離；SPDT開關(guān)用來保護(hù)直流電壓帶來的信號(hào)，它的電容器被設(shè)計(jì)用來將工作溫度提升到300℃以上；感應(yīng)器則用單金線制成，典型的SMA連接器通過熱壓輔助焊接到微帶上。

    我們的SiC PIN開發(fā)過程結(jié)果說明，對(duì)于商業(yè)型Si和GaAs器件，這些器件的工作溫度較高，功率處理特性相當(dāng)。然而，這項(xiàng)工作還處在初期階段，我們認(rèn)為SiC的潛力很大，它仍有提高器件性能的巨大空間。
    我們的目標(biāo)是尋找另一種襯底薄膜，制得的器件在“開”狀態(tài)，能降低阻抗提高隔離度。然而，我們也在努力開發(fā)4H-SiC模式的調(diào)制電路，它的主要特點(diǎn)是開關(guān)二極管和驅(qū)動(dòng)電路用同樣的材料制成。我們將著手開發(fā)開關(guān)和驅(qū)動(dòng)器的分離電路，在這之前，我們用MMIC法將兩者結(jié)合在一起，制造出一種適用于惡劣環(huán)境下的集成模塊。

作者簡介
Nicolas Camara是希臘-研究技術(shù)基金會(huì)研究員，感謝NATO和INTAS（國際合作促進(jìn)協(xié)會(huì)新獨(dú)立州前蘇聯(lián)科學(xué)家）協(xié)會(huì)的資助。