微波场精密测量历史和里德堡原子微波电场精密测量原理

微波场精密测量历史和里德堡原子微波电场精密测量原理

研究团队及主要成员介绍

团队主要成员来自荷兰代尔夫特理工大学 (Delft University of Technology)、中国科学院微电子研究所以及深圳第三代半导体研究院。该团队致力于氮化镓器件工艺、设计及应用研究，尤其是在氮化镓二极管研究上取得过多项成果，曾在国际功率半导体器件与功率集成电路会议ISPSD 2018上受邀作口头报告。

孙跃 (Yue Sun)

荷兰代尔夫特理工大学微电子系在读博士研究生，团队主要成员之一。研究方向为第三代半导体氮化镓微波器件及应用。专注于垂直型氮化镓二极管的器件机理和关键制备工艺研究，针对高功率微波应用场景的实际需求，负责氮化镓微波器件样品的设计研发工作。

文章引言

近日，来自荷兰代尔夫特理工大学博士研究生孙跃以第一作者的身份报道了在氮化镓高功率微波器件领域取得的最新进展，该工作与中国科学院微电子研究所合作完成。主要采用低损伤陡直台面刻蚀技术 (Steep-Mesa Etch Technology)，制备了准垂直型氮化镓肖特基二极管，其在关态下漏电流可低至10⁻⁹ A/cm⁻²，开启电压0.7 V，比导通电阻低至0.21 mΩ·cm²，反向耐压106 V。并以此为基础，在国际上首次实现了氮化镓肖特基二极管在高功率微波限幅器上的应用，成功在L波段实现了高达40 dBm的连续波功率处理能力，并以低于27.2 dBm的泄漏功率为射频前端接收器链路提供保护。

目前，该团队已经将其研究成果发表在期刊Electronics上。该项报道展示了氮化镓材料在大功率微波器件领域的应用潜力，产品可广泛用于5G通信、无线充电和新能源汽车等领域，具有非常广阔的市场前景。

研究背景

伴随着5G通信时代的到来，数据的无线传输速率逐渐提高，同时也对射频通信器件的功率和频率范围等提出了新的需求。微波限幅器已广泛用于各种无线通信系统的射频前端接收器上，例如包括用于5G的蜂窝式移动通信系统和微波无线电通信系统。微波限幅器的作用是能够允许低于某个阈值的微波信号通过，而超过该阈值的功率较大的微波信号会被衰减，可以用来防止与其连接的接收电路中敏感元器件的损坏。现代无线通信系统的发展需要高性能的限幅器，该限幅器需在宽频带和高输入功率下工作，并且具有较高的集成度和较低的产品成本。近年来，对基于硅材料的二极管限幅器已经有许多的研究。然而随着硅材料逐渐达到其理论极限，其性能进一步改进的空间变小。与之相比，作为宽禁带半导体的氮化镓 (GaN) 材料具有高电子饱和速度、高电场强度和耐高温等优异的材料性质，这使得它非常适用于制造高功率微波器件，同时具备很大的提升空间。

典型的射频收发系统原理图。在接收电路中，限幅器被用于保护低噪放LNA等敏感元器件。

陡直台面刻蚀技术

(Steep-Mesa EtchTechnology)

研究人员专门针对氮化镓研发了一种陡峭台面刻蚀技术，实现台面侧壁与底面夹角控制在90°左右，同时刻蚀后的材料表面仍然非常光滑。一方面陡峭台面侧壁的实现有助于将准垂直结构的二极管阳极和阴极间距有效地缩短，降低导通电阻。另一方面陡峭台面的实现降低了干法刻蚀损伤，使器件在关断状态下能够保持非常低的漏电流，提高了器件的开关比 (≥1E12)，有助于实现高性能的垂直氮化镓二极管。

图为采用Steep-Mesa Etch 技术实现陡直的台面结构和光滑的刻蚀面。已发表在Nanomaterials期刊 (DOI：10.3390/nano10040657)。

准垂直结构氮化镓肖特基二极管器件结构图，FIB切片图、器件SEM电镜图。

准垂直结构氮化镓肖特基二极管器件制造主要步骤流程图。

准垂直结构氮化镓肖特基二极管的正向与反向的电流-电压特性，展示了器件的直流性能。

基于准垂直结构的氮化镓肖特基二极管限幅器

两个氮化镓肖特基二极管和两个分别位于输入和输出端口的隔直电容，组成了单节对管限幅器电路。当输入功率较低时，二极管处于关闭状态，大部分的输入信号都能够传输至输出端口。当输入功率超过阈值水平时，二极管处于“导通”状态，为输入信号提供了到地的导通路径，只有少部分泄漏的信号会传输至输出端口。因此，输入功率被限制在一定的阈值功率上，以防止大功率信号对敏感元器件的损伤。

测试时，分别选择1 GHz和2 GHz的微波信号 (L波段) 作为输入，其输入功率的大小从0 dBm逐渐增加，直至模块烧毁。测量结果表明，氮化镓二极管限幅器的阈值功率为13 dbm左右，当输入功率低于13 dBm时，微波信号在限幅器中的损耗可以忽略不计。限幅器可以承受至少40 dbm的连续波输入功率而不发生故障。当输入功率超过最大功率时，氮化镓二极管由于自热问题而发生故障。

准垂直结构氮化镓肖特基二极管限幅器的电路原理图，显微镜观察下器件的装配图，以及展示限幅器性能的输入-输出功率关系。

展望

为了进一步提高氮化镓肖特基二极管限幅器的性能，在未来应该解决以下四个方面的问题：

首先，在低输入功率下，尤其是对于高频信号，二极管的结电容决定了限幅器的插入损耗。结电容越低插入损耗越低。在一个支路上串联多个二极管可以减小总电容，但会增加二极管限幅器的阈值电平。另外可以通过降低漂移层的掺杂浓度，增加漂移层的宽度或减小肖特基接触面积来降低结电容，但是这会导致导通电阻增加。

其次，二极管的较低的导通电阻可以充分地衰减超过阈值功率的微波信号。通过提高漂移层掺杂浓度或减小漂移层厚度虽然能够降低导通电阻，但同时也会降低二极管的反向耐压。要想同时具备低的导通电阻和较高的反向耐压，可以通过改善氮化镓材料的晶体质量来实现，保证材料具有高的电子迁移率和低的位错密度。

第三，改善氮化镓二极管的散热可增强限幅器的功率处理能力。这就需要采用先进的热管理技术，例如使用高导热率的衬底 (SiC和金刚石) 或剥离异质衬底 (蓝宝石和硅) 等方法。

最后，基于氮化镓PiN二极管和氮化镓SBD的多级限幅器可以有效地降低泄漏功率并调整起限电平。另外，单片微波集成电路 (MMIC) 为集成多级二极管的限幅器的提供了可能性，从而可以在宽频带下耐受更高的输入功率。

原文标题：国际首次报道基于准垂直型氮化镓肖特基二极管的高功率微波限幅器

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责任编辑：haq