超宽禁带半导体的异质集成在射频功率器件中的应用

《SCIENCE ADVANCES》：Heterogeneous integration of ultrawide bandgap semiconductors for radio frequency power devices

Ga?O?/AlN异质集成技术通过机械剥离和晶圆级直接键合实现，无需离子注入和界面介质层，在AlN基板上构建高均匀性Ga?O?薄膜，显著提升射频功率器件性能，实现90 GHz振荡频率和4.6 W/mm输出功率密度，噪声系数达0.48 dB。

　　近年来，随着通信技术、消费电子、航空航天、国防以及医疗等领域对高频和高功率电子器件需求的不断增长，超宽禁带（UWBG）半导体材料因其优异的电学和热学性能而备受关注。这些材料包括氧化镓（Ga?O?）、氮化铝（AlN）、氮化硼和金刚石等，它们在高频应用中展现出独特的潜力。例如，Ga?O?具有较高的临界电场（E_C）和饱和电子漂移速度（ν_sat），这些特性使得它成为高频功率器件的理想候选材料。然而，尽管Ga?O?在某些方面表现优异，实现同时具有浅层掺杂和高热导率（k_T）的单种材料仍然面临巨大挑战。这限制了其在高频功率应用中的性能发挥，特别是在输出功率密度和功率附加效率（PAE）方面。

为了解决这一问题，研究人员开发了一种新型的异质集成技术，通过机械剥离、薄膜转移和晶圆级直接键合的方法，将Ga?O?薄膜集成到高热导率的AlN衬底上。这种方法避免了传统方法中所需的离子注入和界面氧化层，从而提高了器件的性能和可靠性。在这一过程中，Ga?O?薄膜从晶圆边缘剥离，确保了薄膜尺寸的一致性，并通过多次晶圆级键合将厚度降低至约500纳米。最终，这些薄膜被转移到AlN衬底上，形成一个大面积的异质集成平台，支持大规模集成电路的制造。

AlN衬底不仅具有高热导率（约3 W/(cm·K)）和高临界电场（可达10 MV/cm），还与Ga?O?具有良好的能带对齐。这种对齐特性使得Ga?O?/AlN界面形成了高达3.4电子伏特的势垒，有效抑制了载流子在沟道中的泄漏，增强了栅极对沟道电荷的控制能力。这种增强的栅极控制能力进一步允许栅极长度的缩小和沟道掺杂的增加，从而显著提升了器件的截止频率（f_T）和最大振荡频率（f_max）。

通过这一技术，研究人员成功制备了Ga?O?-on-AlN的高频功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。这些器件在2 GHz和6 GHz频率下分别实现了4.6 W/mm和4.1 W/mm的输出功率密度，以及高达90 GHz的f_max，这在当前的UWBG器件中处于领先地位。此外，该器件在8 GHz频率下的最小噪声系数（NF_min）仅为0.48 dB，是目前该频率范围内最低的噪声水平之一，表明其在低噪声放大器中的应用潜力。

在热性能方面，Ga?O?-on-AlN器件的热阻（R_T）被测量为3.9 mm·K/W，这一数值显著低于传统Ga?O?-on-Si/SiO?器件，显示出AlN衬底在热管理方面的优势。通过使用高热导率的AlN衬底，研究人员能够有效降低器件的结温，从而提高其功率容量和可靠性。这一热性能的提升对于高频功率器件的长期稳定运行至关重要。

在器件设计方面，研究人员采用了T型栅极结构，以减少短沟道效应（SCE）并提高器件的击穿电压（BV）。通过精确的工艺控制，他们实现了器件在宽范围内的良好性能，包括高输出功率和高效率。此外，器件的线性性能也得到了显著提升，两音测试结果显示输出三阶互调截断点（OIP3）高达28 dBm，表明其在高功率放大器中的应用潜力。

为了进一步验证这一技术的可行性，研究人员还对Ga?O?-on-AlN器件与现有其他材料体系中的高频器件进行了性能对比。结果显示，该器件在输出功率密度、最大振荡频率和功率附加效率方面均优于现有的Ga?O?-on-SiC和Ga?O?-on-Ga?O?器件，同时在噪声性能上也表现出色。这些结果表明，Ga?O?-on-AlN异质集成平台在高频、高功率和低噪声电子器件领域具有广阔的应用前景。

未来，随着异质集成技术的不断进步，研究人员计划通过界面工程和器件优化进一步提升Ga?O?-on-AlN器件的性能。这包括减少界面陷阱密度、优化栅极结构和采用多维设计如FinFETs和多沟道结构。这些改进将有助于实现更高的频率和功率性能，同时保持低噪声特性，为下一代高频电子器件的发展奠定基础。总之，这项研究为超高频功率器件的开发提供了新的思路和方法，有望推动相关技术的广泛应用和商业化进程。