最近， 空氣水集團（AIR WATER） 官網宣布，其創新的 GaN技術 獲得了2021年度“半導體電子材料類大獎”。

據介紹，該公司是全球首家量產GaN-on-SiC-on-Si層疊結構器件的企業。即使采用廉價的硅襯底，該結構的2DEG依舊可以達到2110 cm2/V-s ，相比硅基GaN提升了20%，很好地解決SiC基GaN成本高、硅基GaN性能差等問題，大幅降低GaN器件成本，從而有望加速5G通信的普及。

插播：加入第三代半導體大佬群，請加微信：Joyce_sdb

成本太高、性能太差

傳統結構挑戰多多

眾所周知，GaN器件具備高功率密度和高電子飽和速度等優點，因此在射頻、微波和毫米波應用領域非常有競爭力。但是GaN器件要打入這些領域還存在多重挑戰。

首先，碳化硅和氮化鎵襯底生產成本太高，盡管SiC襯底GaN高頻晶體管已經投入實際應用，但僅限于高端基站使用，很難進行廣泛商業化。

其次，雖然硅襯底GaN器件具有潛力，6英寸硅襯底GaN高頻晶體管的開發和商業化也取得了 一定的進展。但由于存在高熱失配(33%) 和晶格失配(17%) ，因此很難在硅襯底上生長高質量、無裂紋的GaN外延層，導致晶體管在工作過程中一旦發熱，絕緣性能會變差，能量損失會增加。

還有，硅基GaN器件還存在硅襯底電阻率低的問題，這會帶來高寄生電容，從而阻礙器件的高頻性能。

層疊GaN結構

提高質量、減少泄漏

為此， 2004 年 空氣水集團開始創建一種 層疊GaN結構技術。

該結構是這樣的：首先，采用廉價的硅襯底；其次，使用獨特的成膜技術，在硅襯底上生長高質量的3C-SiC薄膜；然后，在SiC薄膜上依次生長2 μm的含鋁III-N緩沖層、6μm的GaN層，和23 nm 的AlGaN勢壘層。

該公司認為，在GaN和硅襯底之間引入穩定的3C-SiC中間層，這樣可以抑制裂紋產生，并提高硅襯底的GaN薄膜的晶體質量。

而厚厚的氮化物層能夠抑制由硅襯底低電阻率產生的寄生效應，而緩沖層可以最大限度地減少RF泄漏。

據介紹，2012年，該公司就開發了大直徑（最大直徑8英寸）的硅基SiC。2013年4月它在日長野縣建立了中試工廠。2020年4月開始試產硅基SiC襯底，以及基于該襯底的GaN高頻器件。

層疊GaN結構

提高質量、減少泄漏

相比硅襯底，基于3C-SiC的GaN器件電子遷移率提高約20%，而且SiC薄膜具有高導熱性，因此也提高了晶體管的散熱性能。該GaN器件的2DEG達到2110 cm2/V-s，薄層電阻為280 Ω /□。

對于柵極長度(Lg )為2 μm、柵極寬度為2×50μm的器件，其小信號特性實現了4.8 GHz 的截止頻率。而且在高達125 ℃高溫下，其射頻泄漏也非常低。

在室溫下，該器件實現了47%的PAE，同時提供了2 W/mm的輸出功率，以及17.2 dB的最大線性增益，漏極和柵極偏置分別為+22.5和-1.5 V。

獲取相關文獻，請加微信：Joyce_sdb

其他人都在看：

參編單位集結號！2021第三代半導體白皮書調研啟動

小鵬汽車香港上市！SiC車型或明年推出

5G氮化鎵要“火”？Cree、NXP、Qorvo、住友集體出動了！

反對無效？中資收購英國SiC/GaN晶圓廠