GaN（共8篇）
GaN 篇1
蓝光发明人Suji Nakamura (中村修二),11月中旬告诉LuxLive (杂志名,该杂志有电子媒体)记者,他对将来发光二极管(LED)在GaN-on-GaN技术方面的看法。
目前,该技术提供了更好的显色性、更长的寿命和更好的“流明/美元”。
他在1990年开发了蓝光和绿光LED,第一时间使白光LED成为可能,开启了一轮照明的革命并一直到现在。
由于他合作创始的LED灯泡的制造者Sorra使用紫芯片制造氮化镓生长在氮化镓(GaN-on-GaN)技术,不同于现有的蓝宝石或碳化硅基板上的生长技术。
他描述了GaN-on-GaN如‘LED2.0’的版本,它的好处是晶格位错远小于现有的LED。所以它可以工作在更大的电流、更高的温度和具有很高的可靠性。
该技术允许的电流密度比现有的水平增加10倍,造成有极大的光输出,Nakamura说。
他预测在不远的将来,GaN-on-GaN的LED将远好于第一代的LED,用“流明/美元”的方法来减少了总的照明费用,使LED加速成为一种可接受的技术。
当记者问起如果他第一次发明蓝光LED意识到这次革命是无法驾驭的时候,Nakamura说一旦蓝光和绿光LED出现的话,他看到了‘巨大的市场’,因为LED从此可以有白光和任何其他颜色了’。
‘我期望发展的速度也许是非常快的’Nakamura说。
他预期蓝色LED产品在今后几年达到250 lm/W。‘我想有些公司已经达到顶峰(按照实验室条件),但是在工作条件下它只有一半。我希望在2～3年内,在现有工作条件下会达到。
Nakamura还看好将来的OLED,指出对寿命的技术是一个课题,但他看到了在激光照明中的极大潜力,因为在增大电流密度上产生巨大的潜力。
来自LuxLive 2013年11月25日的报道
GaN 篇2
纤维锌矿结构GaN热力学性质的第一性原理计算
利用平面波赝势密度泛函方法,结合广义梯度近似,对纤维锌矿GaN的结构和热力学性质进行了计算,发现纤维锌矿结构GaN的最稳定的结构对应的结构参数为:u=0.3769,c/a=1.628,a=3.204(A),and c=5.216(A),所得结果与实验和其他理论的.结果相符.通过准谐德拜模型,我们还成功得到了w-GaN的相对体积、热膨胀系数、热容和德拜温度等热力学量.
作 者：谭丽娜 傅敏 崔红玲 TAN Li-na FU Min CUI Hong-ling 作者单位：四川大学原子与分子物理研究所,成都,610065刊 名：原子与分子物理学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS年，卷(期)：24(6)分类号：O56关键词：GaN 广义剃度近似 热力学性质 GaN generalized gradient approximation thermodynamic properties
GaN材料的应用及研究进展 篇3
氮化镓 (GaN) 是由Johnson等人于1928年合成的一种Ш-V主族化合物, 被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。GaN作为光电和光子时代的半导体材料, 在国防、半导体照明、数字化存储等领域应用前景广阔。氮化镓的稳定相是纤锌矿结构 (hexagonal wurtzite structure) , GaN具有从1.19eV (InN) 到6.12eV (AlN) 之间连续可调的直接带隙, 从理论上覆盖了从红光至紫外光在内的整个可见光谱, GaN电子饱和迁移率高, 发光效率高, 在短波长蓝光—紫外发光器件如蓝、绿发光二极管、蓝光激光器、紫外波段探测器[1,2]、异质结场效应晶体管 (HFETs) [3]等光电子器件方面都有广泛的应用, 且氮化镓器件具有长寿命, 低功耗, 无污染等优点[4]。
2 GaN的结构与性质
GaN是极稳定的化合物, 材质坚硬, 有纤锌矿、闪锌矿、岩盐矿三种晶体结构。其中纤锌矿 (六方α相) GaN的晶格常数为a=0.3189nm, c=0.5185nm, 闪锌矿 (立方β相) GaN的为0.4520nm。六方相结构为热力学稳定相, 而立方相结构为亚稳相, 只有在沉底上异质外延材料才是稳定的。有关氮化镓材料的研究主要是六方相和立方相对称结构, 六方对称性的纤锌矿2H结构具有空间群P63MC (C6v) , 其中每个Ga原子与相邻的4个N原子成键。[5]半导体材料应用于电光器件的重要物理性质如表1所示, 另外, GaN的静态介电常数为8.9, 高频介电常数为5.35, 密度为6.15g/cm3, 熔解温度为>1700℃, 因而具有良好的热稳定性和较高的击穿电压, 在高功率高频率电子器件方面具有很好的应用。GaN制备的发光二极 (LED) 管发光可以涵盖的波长范围为365~520nm, 半导体激光器 (LD) 发光波长为400~450nm, (Al, Ga, In) N的二元或三元合金氮化物体系晶体材料将有望用于囊括紫外到红外的整个可见光谱区域发光器件的研制。GaN材料可以制成优质的半导体微结构材料, 极高的电子饱和迁移率 (2.5×107cm/s) 和不大的介电常数, 非常适合制作微波器件。GaN结合了SiC的耐高压、高温特性与GaAs的高频特性, 是目前最优秀的半导体材料, 由于具有化学稳定性好、热传导性能优良、击穿电压高、介电常数低等特点, 所以GaN在高温、大功率、高频器件方面的应用也极其引人注目。[6,7]GaN基半导体材料的器件主要涉及LED、LD、紫外辐射探测器等, 其中GaN基LEDs经历了MIS、PN结、同质结、双异质结 (DH) 、量子结、沟道接触结、四组分AlInGaN、超晶格低电压InGaN/GaN、微尺寸LED等的发展过程。[8]GaN基白光LED的理论最高光效可达到340lm/w, 远高于荧光灯的50lm/w和白炽灯的15lm/w。GaN基LEDs具有体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、防爆、节能、使用寿命长等特点, 在大屏幕彩色显示、信号灯、景观照明、车辆及交通运输、多媒体显像、LCD (Liquid Crystal Display) 背光源、光线通讯、卫星通讯等领域大有用武之地;1995年底Nakamura小组首次实现了室温下电注入的GaN基蓝光LD脉冲工作, 它是世界上第一支电注入GaN基LD。[9]GaN蓝光LDs的开发, 使激光点径缩小40%左右, 提高存储容量至少4倍以上。由于蓝光LDs的市场潜力极大, 许多大公司和研究机构都纷纷加入到开发GaN蓝光LDs的行列中;GaN基光探测器的探测灵敏度高, 光谱响应分布好, 覆盖了200~365nm的光谱范围, 在可见光与红外范围没有响应, 特别适合可见光盲和太阳盲区的紫外辐射探测;GaN材料体系的优良特性也决定了其在微波器件领域的广泛应用潜力。另外, 良好的衬底绝缘性能和散热性能, 有利于制作高温、大功率器件。目前已经成功开发了GaN基MESFET、HEMT、HBT和MOFET等器件。
3 GaN纳米材料的制备技术:
GaN材料都是通过人工合成的方法制得的。基于一维GaN纳米结构在可见光和紫外光光电子器件方面的应用前景, 其合成备受关注。合成GaN纳米材料包括纳米线/棒 (1D) , 纳米平面 (2D) , 纳米团簇 (3D) 的方法大致有:各向异性可控生长法、碳纳米管限制反应[10]、模板辅助生长法[11]、基于气-液-固 (VLS) 机制的催化反应生长法[12]、基于汽-固 (VS) 机制的生长法、氧化物辅助生长法[13]、表面活性剂法、纳米粒子自组装及物理或化学方法剪切以及金属镓与氨气直接反应生成[14], 等等。以上方法中比较特殊的氧化物辅助生长是以GaN和Ga2O3混合颗粒作为GaN纳米线生长的前体, 借助于Ga2O3的辅助作用, 使GaN颗粒生长为一维的GaN纳米结构。制备纳米氮化镓的方法相对外延与单晶较为丰富, 并且工艺都很成熟。如2005年Kipshidze等[15]人采用Ni纳米点阵模板, 在蓝宝石衬衬底上成功制备出较为规则的GaN纳米阵列。在我国, 2011年中南大学全玉小组[16]使用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠与硝酸镓、硝酸铕的混合溶液在水热170℃条件下合成前驱物后经高温处理最终得到了Ga2O3:Eu3+纳米颗粒产物, 且该材料具有很高的发光强度。中科院物理所许涛[17]等人在1999年就用氨热法生长出了GaN纳米固体;中镓半导体和中科院苏州纳米所也有相关研究的基金或会议报告的报道。
4 GaN外延薄膜的制备技术
由于现在还没有商业化的大尺寸体单晶, 电光行业基于氮化镓基设备的应用和发展主要还是依赖于外延薄膜形式, 研究人员尝试用多种方法来制备GaN同质/异质外延薄膜, 主要的制备方法包括氢化物气相外延 (HVPE) 、侧向外延 (ELO) 、金属有机气相沉积 (MOCVD) 、分子束外延 (MBE) 、电泳沉积 (EPD) 、脉冲激光沉积 (PLD) 、磁控溅射 (MS) 、溶胶—凝胶 (Sol-ge1) 等。2013年大连理工大学的柯昀洁小组[18]在Aixtro3×2近耦合喷淋式金属有机气相沉积反应室中制备了多组InGaN/GaN量子阱样品, 实验使用三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟和氨气分别作为Ga, In, N源, 在蓝宝石c面衬底上依次生长低温GaN成核层、高温GaN缓冲层及n-GaN层, 最后调节喷淋头高度制备出InGaN/GaN量子阱样品。溶胶—凝胶法是近几年兴起的, 其原理是首先制备含镓前驱体胶体, 利用浸涂或刷涂的方式将胶体涂覆在衬底上形成薄膜, 最后经过一步高温氨化而得到氮化镓薄膜, 但是由于制得的薄膜多为非晶态或多晶态, 致密性差, 目前还难以控制膜厚, 后续的退火工艺还亟待优化。III族氮化物一般是异质生长在具有六方对称结构的衬底上, 制备外延薄膜一般方法是:用常规的射频磁控溅射仪在蓝宝石 (a-Al2O3) 、碳化硅 (SiC) 或单晶硅衬底上首先沉积Ga2O3薄膜, 然后再在800℃~1000℃左右温度下通入氨气流进行氨化处理, 即可生成异质外延的纳米级氮化镓薄膜。采用这种方法制备的一维氮化镓纳米材料不需要催化剂, 不需要模板限制, 不仅避免了杂质污染而且简化了纳米结构制造的工艺, 对于纳米结构的应用非常有利。要得到高功率, 低成本, 更优质的氮化镓薄膜芯片首先要解决的是薄膜与异质衬底之间的失配问题, 表2提供了GaN与可用于薄膜生长的衬底材料的典型参数。目前已经产业化的氮化镓外延生长衬底材料主要为单晶蓝宝石 (晶格失配达22.7%) , 尽管6H-SiC与氮化镓仅有3.5%的晶格失配, 使用碳化硅做外延基材仍是造价昂贵的。GaN材料的外延生长是氮化镓产业应用的关键性技术, 包括生长的温度, 厚度、时间、气流、流量等的控制。目前已有很多实验室在研究Si、AlN、LiAlO2、MgAl2O4、ScMgA-lO4、ZnO以及Hf等材料作为异质外延基材的可行性以期降低成本和提高质量。然而, 薄膜类氮化镓仅限于在高能, 长寿命蓝光领域, 且需要昂贵的基材 (同质外延生长氮化镓会显著增加位错密度) , 异质外延GaN材料制备简单但是存在较大晶格失配和热失配, 晶格缺陷较多, 限制了器件性能提升, 要完全发挥出GaN材料的优越性, 解决办法还是采用GaN体单晶。
5 GaN单晶的制备技术
GaN的研究始于20世纪30年代, Johnson等人[19]采用金属镓和氨气反应, 第一次得到了GaN小晶粒和粉末。较为常见的半导体材料单晶制备方法有直拉法、布里奇曼法、熔体法、近平衡法、钠融液法等。由于氮化镓熔点高 (大于2500℃) , 分解压高 (>4.5GPa) 在Ga中的溶解度低, 使用常规方法制备单晶有极大的困难。日本有气相合成和升华法合成GaN体单晶的零星报道, 其生长的单晶都在1mm厚度左右, 制备方法分别是1200℃高温下金属Ga蒸汽与氨气、氮气直接反应以及在加热GaN至升华点1500℃左右后冷却再结晶。2000年, 俄国晶体生长研究中心、美国TDI公司、俄约菲所、俄稀有院的科研人员运用提拉法第一次成功生长出了真正意义上的GaN单晶晶锭。1997年, 波兰Ammono公司首次报道了GaN晶体的氨热法生长, 他们在超临界氨和碱性矿化剂 (KNH2、LiNH2) 的溶液中, 在温度大于550℃、压力为400~500MPa范围下合成出小尺寸GaN晶体。[20]此后, 多个公司与团队以碱性矿化剂为生长溶液, 在氨热法生长GaN体单晶方面开展了大量工作。[21,22,23,24,25]美国加州大学Tadao Hashimoto团队[26]在使用超临界流体氨生长氮化镓方面做了大量的实验工作, 他们研究了金属镓作为镓源, 矿化剂包括NH3-NH4Cl、NH3-NaI、NH3-NaNH2-NaI、NH4Cl-NaI-NaNH等, 最终证明仅在碱性矿化剂中可得到六方GaN, 而酸性和中性矿化剂得到的是六方和立方相的GaN, 另外也验证了氮化镓负的温度溶解度关系, 因此碱性氨热法生长氮化镓的籽晶有别于水晶水热的工艺, 是悬挂于水热釜的高温区域, 其培育的氮化镓沉淀最大直径达到了10μm, 如图1所示。
文献[27]称其使用化学气相沉积合成的GaN作为营养盐, 氢化物气相外延法制得的GaN模板作为籽晶, 在KNH2–NH3矿化剂体系生长若干时间得到了单晶, 该水热法同样是将籽晶悬挂在高温区域, 如图2所示为氨热法生长氮化镓晶体的反应釜布局以及生长得到尺寸可观的GaN晶体。美国克莱姆森大学、Solid State Scientific公司以及汉斯科姆空军基地研究实验室共同携手氨热法制备的单晶达到了1cm2×1mm的尺寸, 他们[14]同时指出, 水热法每年产出几百万千克的高质量水晶, 和其它溶剂相比, 氨的物理性质和水最接近, 因此氨热法是最有望大量制备氮化合物体单晶的方法, 具有很好的应用前景, 也是被寄予厚望的GaN体单晶生长的工业化方法。由于氨热法依赖的高压釜、加热装置、衬套管等主要的生长设备造价昂贵, 生长成本很高, 氨热法生长大尺寸体单晶GaN的产业化道路还很漫长。
1-第四系2-第三系3-中生界4-古生界
6 总结与展望:
GaN具有直接宽禁带 (室温下Eg=3.4eV) 、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点, 因此在高能电子, 高温设备, 光电子设备, 自旋电子领域有着广泛的应用。GaN材料的几种主要应用有:GaN基LEDs、GaN基LDs、GaN基紫外光探测器、GaN基激光器、电磁电子器件等。氮化镓材料的研究主要有三个方向, 一是以纳米制备技术为基础的GaN低维度材料, 二是各种外延生长技术支撑的GaN薄膜, 三是以氨热法为主的体单晶生长。GaN纳米材料的制备技术已经臻于成熟并且种类繁多;外延薄膜下一步要解决的问题是GaN晶格的失配和热失配, 获得高质量薄膜, 努力的方向是新型生长衬底的开发。GaN体单晶氨热法生长已取得可喜的成果, 矿化剂体系和碱性矿化剂中籽晶倒置的生长工艺已经形成共识, 氨热法生长大尺寸体单晶GaN还需要继续研究成熟工艺和扩大晶体尺寸, 其产业化道路还很漫长。
摘要：论述了近年来国内外GaN材料的最新研究热点和应用情况, 着重介绍了GaN低维度纳米材料、外延薄膜材料以及体单晶的常规制备技术;讨论了未来氮化镓材料的研究方向;从不同GaN材料的制备技术路线、合成原理及结晶特性, 评估了各种方法的优缺点和进行产业化推广应用的可行性。
GaN(氮化镓)设备供应链强劲 篇4
Strategy Analytics高级半导体应用(ASA)服务发布的最新研究报告《2015年Ga N供应链公司概述》列出了37家为RF(射频)和电子电力应用制造Ga N设备的厂商。该报告研究了这些厂商在2015年的收益、工序、设施、产品和新闻发布,并针对这些公司Ga N发展的未来潜在客户提供洞察。该报告同样涵盖了2015年RF Ga N营收的市场份额。
Strategy Analytics高级半导体应用服务总监Eric Higham表示,“RF Ga N的营收主要集中在住友电工设备创新(SE-DI)、Wolfspeed(现在归属英飞凌)和Qorvo这些厂商,整个供应链是一片欣欣向荣的景象。Ga N的良好性能使得许多新的大功率电子应用应运而生;随着Ga N在这些应用中越来越受欢迎,我们期待看到来自新进入企业和现有企业更多的市场活动。”
GaN 篇5
半导体功率器件按材料划分大体经历了三个阶段。第一代半导体功率器件以Si双极型功率晶体管为主要代表,主要应用在S波段及以下波段中[1]。Si双极型功率晶体管在L波段脉冲输出功率可以达到数百瓦量级,而在S波段脉冲功率则接近200 W。第二代半导体功率器件以GaAs场效晶体管为代表,其最高工作频率可以达到30~100 GHz。GaAs场效应晶体管在C波段最高可输出功率接近100 W,而在X波段则可达到25 W。第三代半导体功率器件以SiC场效应晶体管和GaN高电子迁移率晶体管为主要代表。同第一代、第二代半导体材料相比,SiC和GaN半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率以及抗辐射能力强等优点,特别适合应用于高频、高功率、抗辐射的功率器件,并且可以在高温恶劣环境下工作[2,3,4,5]。由于具备这些优点,宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能,广泛应用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、海洋勘探等重要领域[6,7,8,9,10]。
本文基于Agilent ADS仿真软件设计实现一款高效GaN宽禁带功率放大器,详细说明设计步骤并对放大器进行了测试,结果表明放大器可以在2.3~2.4 GHz内实现功率15 W以上,附加效率超过67%的输出。
1 GaN宽禁带功率放大器的设计
1.1 放大器设计指标
在2.3~2.4 GHz工作频段内,要求放大器连续波工作,输出功率大于10 W,附加效率超过60%。
1.2 功率管的选择
根据放大器要求的设计指标,设计选用的是某进口公司提供的SiC基GaN宽禁带功率管,其主要性能参数见表1。
1.3 放大器电路设计
图1为功率放大器原理框图。图1中,IMN&Bias和OMN&Bias分别为输入匹配网络及输入偏置电路和输出匹配网络及偏置电路,VGS和VDS分别为栅极-源极工作电压和漏极-源极工作电压。采取的设计思路是:对功率管进行直流分析确定放大器静态工作电压;进行稳定性分析和设计;利用源牵引(Source Pull)和负载牵引(Load Pull)方法确定功率管匹配电路的最佳源阻抗ZS和最佳负载阻抗ZL(ZS和ZL的定义见图1);根据获得的源阻抗与负载阻抗进行输入、输出匹配电路设计以及偏置电路设计;加工、调试及改版。
1.3.1 直流分析
对功率放大器进行直流分析的目的是通过功率管的电流-电压(I-V)曲线确定功率管的静态工作电压。由于厂家提供了功率管的ADS模型,因此设计中直接利用该模型进行仿真设计(下同)。
图2为在Agilent ADS软件中对器件模型进行直流分析的结果。根据厂家给出的器件规格参数以及图2中的I-V曲线,选用VDS=28 V,VGS=-2.5 V作为放大器的工作电压。为使放大器能够实现较高的效率,这里选取静态电压让放大器在C类条件下工作。
1.3.2 稳定性分析
稳定性是放大器设计中需要考虑的关键因素之一,它取决于晶体管的S参数和置端条件。功率放大器的不稳性将产生不希望出现的寄生振荡,导致结果失真,甚至设计失败。因此,在进行放大器阻抗匹配电路设计之前,必须进行稳定性分析与设计。
图3给出了功率管稳定系数随频率的变化曲线。图3中,稳定系数K与D分别定义为:
从图3可以看出,在设计频段内稳定系数K和D分别满足大于1和小于1的条件,所以功率管为无条件稳定[11]。
1.3.3 源牵引与负载牵引分析
源牵引/负载牵引分析方法原理:放大器在大信号电平激励下,通过连续变换源阻抗/负载阻抗对功率管进行分析,然后在Smith阻抗圆图上画出等功率曲线和等增益曲线,并根据设计要求选择出最佳源阻抗/最佳负载阻抗准确设计出满足要求的功率放大器。
分析中选取中心频率f=2.35 GHz。为准确获取功率管的最佳源阻抗ZS和最佳输出阻抗ZL,分析过程中遵循效率优先的策略,并采取如下步骤:
首先,假定ZS(0)=10 Ω进行负载牵引分析获得ZL(1);然后,根据ZL(1)进行源牵引分析获得ZS(1);再根据ZS(1)进行负载牵引分析得到ZL(2),…。重复进行源牵引分析与负载牵引分析,直至前后两次得到的负载阻抗ZL相等或者相差很小为止。
图4为进行源牵引分析和负载牵引分析得到的功率管输出功率、附加效率(Power Added Efficiency,PAE)等高线图。图4中,功率管的附加效率定义为:
式中:POUT,PIN和PDC分别为放大器输出功率、输入功率和电源消耗功率;ηPAE代表功率附加效率。
从图4中可以读出功率放大器的最佳源阻抗与最佳负载阻抗分别为ZS=2.1-j6.5 Ω与ZL=13+j7.8 Ω。
1.3.4 匹配网络、偏置电路设计
匹配电路主要用来进行阻抗变换,其最终的目的是为了实现最大的功率传输。在仿真设计过程中,首先假设是在理想偏置电路的情况下利用取得的最佳源阻抗和最佳负载阻抗进行输入、输出匹配网络设计,然后根据1/4λ准则进行偏置电路设计,并通过微调电路部分参数使偏置电路满足射频扼流的要求。在Agilent ADS软件中,为使设计能够准确模拟真实情况,一般需要在电路设计(基于模型的)之后进行RF Momentum优化仿真。图5为Agilent ADS软件设计的放大器匹配网络与偏置电路。图5中,微波电路基板材料选用的是Rogers公司的RT/duroid 6002板材,介电常数为2.94,厚度为0.254 mm。优化仿真过程中发现:放大器的效率和带宽是一对矛盾,当效率提高时,带宽变窄,反之亦然。
2 指标测试
放大器实物如图6所示。
对设计的宽禁带功率放大器进行了测试。测试条件是:连续波工作,漏极电压VDS=28 V,栅极电压VGS=-2.5 V。图7为频率为2.35 GHz时,放大器输出功率、附加效率随输入功率的变化曲线。由测试结果可知:随着输入功率的增大,放大器的输出功率近似呈线性增大,在26 dBm开始出现饱和;随着输入功率的增大,放大器附加效率增大,在27 dBm时达到最大附加效率68.5%。实验还在2.2~2.6 GHz频率范围内(0.5 GHz为步长)测试了放大器的输出功率和附加效率参数,测试结果如图8所示。在2.25~2.5 GHz频率范围内,放大器输出功率在10 W以上,附加效率也超过60%。在2.3~2.4 GHz频率范围内,输出功率超过15 W,附加效率超过67%,放大器满足设计指标。
3 结 语
利用SiC基GaN宽禁带功率器件设计制作了S波段10 W功率放大器。试验测试结果表明所设计的放大器在2.3~2.4 GHz内附加效率在67%以上,也证实了宽禁带器件高效率、高增益的特点。
摘要：氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的典型代表之一,由于其宽带隙、高击穿电场强度等特点,被认为是高频功率半导体器件的理想材料。为研究GaN功率放大器的特点,基于Agilent ADS仿真软件,利用负载/源牵引方法设计制作了一种S波段GaN宽禁带功率放大器(10 W)。详细说明了设计步骤并对放大器进行了测试,数据表明放大器在2.32.4 GHz范围内可实现功率超过15 W,附加效率超过67%的输出。实验结果证实,GaN功率放大器具有高增益、高效率的特点。
关键词：宽禁带半导体,功率放大器,附加效率,GaN
参考文献
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GaN 篇6
1 GaN异质外延衬底的选择
由于大面积的GaN体单晶难以获得,目前的GaN主要以异质外延生长为主,应用于外延生长GaN材料的衬底主要有蓝宝石(Sapphire)、SiC、Si、镁铝尖晶石(MgAl2O4)和LiAlO2[2]等,表1给出了这些常用衬底的晶体学参数。
蓝宝石是目前应用最为广泛的衬底材料,(0001)晶向蓝宝石衬底具有易于清洗、耐高温(GaN生长温度约1000℃)、可以大尺寸生产等优点,成为目前GaN产业化生产的主流衬底材料。但是,蓝宝石衬底的热导率(46W/(m·K))较小,热失配为9%~25%,使其在高温器件上的应用受到一定影响。蓝宝石与GaN的晶格失配约为16%,由于晶格失配和热失配使外延生长的GaN材料的位错密度高达1010cm-2。SiC是另外一种作为GaN外延衬底的重要材料,用于外延生长GaN材料的SiC主要是6H-SiC,6H-SiC与GaN的晶格失配率为3.5%,热导率比GaN高,具有比蓝宝石更好的性质。但是6H-SiC的层状结构常会给外延膜引入大量台阶,另外其昂贵的价格也限制了它的应用。单晶Si是半导体行业最常见的材料,且单晶Si的生长技术在半导体工业中已经相当的成熟,在Si衬底上外延生长GaN已经成为当前研究的热点。但是由于Si衬底与GaN之间存在着较大的晶格失配和热膨胀系数失配,易在GaN外延层中造成高的位错密度,且生长应力过大使得GaN薄膜很容易出现龟裂或发生弯曲。镁铝尖晶石(MgAl2O4)[3]和γ-LiAlO2晶体与GaN材料具有良好的晶格匹配和热膨胀匹配,目前也成为GaN外延生长较为合适的衬底材料之一,且在γ-LiAlO2晶体的(100)面上可以生长无极化效应的GaN薄膜。
2 GaN异质外延生长中缺陷的形成
根据薄膜成核理论,在衬底材料上外延生长GaN时,首先在衬底上形成岛状的微晶粒,随外延生长的继续,这些岛状微晶粒的体积逐渐增大,当2个相邻的小岛在生长过程中相碰时,将会发生聚合或重新晶化。由于衬底材料与GaN之间存在着较大的晶格失配和热失配,因此小岛与小岛之间也存在生长平面内的晶向扭转(Twist)和生长法线方向的晶向倾斜(Twist)。这些晶向差异将会在外延生长过程中形成相应的螺旋型位错和刃位错,这些位错向上传播到达外延膜表面形成穿透位错。GaN外延生长过程中的位错主要是穿透型线位错,因此有人提出了横向外延生长技术,通过掩膜阻碍下层的线位错传播到薄膜表面,从而降低了外延层的位错密度。
从薄膜生长应力应变的角度,由于衬底与GaN晶格常数不匹配导致外延生长的GaN薄膜处于应力应变的状态中,当应力积累到一定程度后会在晶格中形成位错释放应力。另外,由于衬底材料与GaN的热膨胀系数失配,当GaN薄膜从生长温度冷却到室温时,薄膜可能产生裂纹来释放外延层内部额外的热应力。因此,从释放应力的角度出发,有些科研工作者提出了缓冲层技术和柔性衬底技术,通过缓冲层和纳米Si层来释放晶格失配产生的应力,从而达到减少位错的目的。
3 降低位错生长工艺的研究
3.1 缓冲层技术
为了提高GaN基半导体材料的质量,日本名城大学(MeijoUniversity)Akasaki小组于1986年首次在蓝宝石衬底上采用AlN作缓冲层并获得了高质量的GaN体材料[4]。后来Nakamura小组采用AlGaN和GaN作为缓冲层外延生长GaN,获得了更高的晶体质量[5]。目前在蓝宝石衬底上使用的缓冲层主要有AlN[6]、ZnO[7]和低温生长的GaN[8]等。在Si衬底上使用的缓冲层主要是AlN[9],这是因为AlN缓冲层在Si衬底上具有较好的浸润性,可有效降低界面能,使GaN一开始就进入二维生长模式,部分解决了Si基生长GaN的困难。Dadgar等[10]将低温AlN插入层技术用于Si基GaN的生长,可以有效控制GaN外延层的生长热应力,并且降低位错密度。应力补偿效应的研究表明,由于AlN插入层很薄,低温沉积的无定型AlN会在高温生长GaN外延层时形成结晶体,此弛豫过程中所引入的压应力可有效补偿热失配所引起的张应力。A.Krost小组[11]应用此方法在150mm Si衬底上成功地制备了5.4μm的GaN LED结构。 与蓝宝石衬底相比,硅衬底具有更低的生长曲率,使得在大尺寸衬底上多量子阱的生长成为可能。
由于单缓冲层技术条件下生长出的GaN材料仍具有较高的缺陷密度,会影响到发光器件的发光强度、工作寿命和反向特性等重要技术指标,因此,人们又在该技术基础上发展了多缓冲层技术[12,13,14],从而获得了更高质量的GaN单晶材料。1999年Akasaki小组[13]提出了一种新的高质量GaN薄膜生长技术,其基本思想是在GaN外延层中插入多层较“软”的超薄低温GaN层(低温缓冲层),通过人工引入一定的界面能来降低材料中的弹性应变能,改善GaN外延层的晶格稳定性,从而降低外延层的位错密度。采用这种技术生长的GaN材料中的位错密度可比传统方法生长的GaN材料低1~2个数量级,达到107cm-2。Eric Feltin等[15]在GaN外延层与AlN缓冲层之间采用多个周期的AlN/GaN超晶格作插入层,生长出较厚且没有裂纹的GaN晶体(0.9~2.5mm)。采用超晶格结构除了产生额外的压应力外,还可很好地过滤位错,特别是穿透位错,明显提高了外延层的晶体质量。
国内南京大学张荣课题组[16]在LiAlO2衬底上采用两步生长缓冲层技术,成功地在LiAlO2衬底上生长出m-plane 的GaN缓冲层。GaN缓冲层的应用可以克服衬底的热不稳定性,释放GaN外延层和衬底热失配引起的压应力。浙江大学叶志镇课题组[17]在Si衬底上采用高温AlN缓冲层技术生长出没有裂缝的高质量GaN薄膜。本课题组赵丽伟等[18]用KOH溶液湿法化学腐蚀的方法对单缓冲层和双缓冲层Si衬底外延生长的GaN进行了研究,观察了位错腐蚀后表面形貌,发现双缓冲层比单缓冲层外延生长的GaN具有更低的位错密度。
缓冲层、插入层或超晶格缓冲层的作用主要在于结晶成核以降低衬底和外延层之间的界面自由能,在一定程度上减少了晶格失配和热失配引起的位错,提高了GaN外延层的质量。但是,GaN外延层的位错主要是线位错,缓冲层技术在减少线位错、阻止线位错向外延层延伸方面还有一定的局限性。目前,采用缓冲层技术可以将位错密度降到107cm-2,但还不能满足GaN基器件产业化的要求。另一方面,退火弛豫过程中引入的压应力有效补偿了来自热失配引入的张应力。但是应力场在外延层中分布比较复杂,如何减少应力引起的位错、龟裂以及大尺寸GaN薄膜的生长还需科研工作者的努力和探讨。
3.2 横向外延生长技术
横向外延生长技术(ELO,Epitaxial lateral overgrowth)最早在1962年用于Si的外延生长中,近年来Ⅲ族氮化物的生长使这种方法得到了最新的应用。1994年Kato最早把横向外延技术引入到GaN生长中,大幅度改善了晶体质量,使位错密度降低至106cm-2[19]。1997年Nakamura利用横向外延技术成功地制备了寿命超过10000h时的GaN蓝光激光器,并在此基础上实现了器件的商品化。现在横向外延生长技术已成为GaN基激光器制备的关键技术[20]。
图1给出了横向外延生长GaN材料的示意图,其工艺过程为在GaN模板上沉积SiO2薄层,然后光刻出图形,作为衬底GaN的二次生长。由于表面能量选择的缘故,只有GaN窗口部分能够得到外延生长,而SiO2掩膜部分难以成核,SiO2上方的GaN由窗口层GaN横向外延产生。当窗口中外延生长出的GaN超过 SiO2层厚度时会发生与竖直生长方向同时进行的横向生长,当横向生长达到一定程度后便能得到弥合的高质量GaN外延层。
GaN材料中的位错主要是线位错,同时线位错有向上延伸的趋势。采用横向过生长技术时,晶体生长方向垂直于原来的位错运动方向,并且掩膜层阻断了大部分扩展位错的运动,外延层中扩展位错的密度能从108~1010cm-2降低到104~106cm-2。尽管横向外延生长可以降低位错密度,但窗口区的位错密度仍很高,可利用的面积只有掩膜上过生长的区域。掩膜区外延薄膜和底下的掩膜板之间的相互作用使得横向外延过生长的掩膜区薄膜会发生向下的晶向倾斜(Tilt)以及在掩膜区边界会产生一些小角度晶界。
在ELOG方法的基础上,美国北卡罗莱纳州立大学的Davis等又提出了一种新的横向外延技术:悬挂外延(Pendeo-epitaxy)[21](如图2所示)。这种技术通常以SiC或SiC/Si异质材料为衬底,首先在衬底上生长AlN缓冲层、Seed GaN 薄膜和SiNx掩膜,再采用反应离子刻蚀方法刻出图形,露出SiC衬底,然后进行GaN的外延生长。由于GaN材料在SiC衬底和SiNx掩膜上不能直接成核,GaN首先选择在AlN和GaN的 (110)面外延生长,横向外延生长粘合后开始沿〈0001〉取向纵向生长。因为在相邻AlN膜之间的SiC衬底上没有GaN生长,所以从AlN部分向两边横向外延生长的GaN晶体是悬空的。这种外延生长技术排除了衬底对横向外延GaN材料的影响,特别是杂质和界面应力的影响,理论上有更高的晶体质量。这种技术中加上SiNx掩膜,可以完成2次横向外延,更进一步降低了GaN外延层中的位错密度。
横向外延技术已经被广泛应用于GaN材料的生长中[22],为了减少ELO生长中掩模板与外延层相互作用产生的晶向倾斜,Akihiko等提出了空气桥横向外延生长方法(Air-bridge ELO)[23]。为了控制材料的生长面,Hiramatsu等提出了面控制外延生长技术(Facet-controlled ELO)[24]。近几年来,在传统ELO技术的基础上还发展了Pulsed ELO[25]、Pillar-ELO[26] 、Sidewall-ELO[27]等横向外延生长技术。虽然ELO技术在降低位错密度上取得了很大进展,但是这些生长方法都需要光刻工艺,过程复杂且成本较高。为了简化工艺,有人提出了采用多孔衬底来外延生长GaN薄膜。日立公司于2002年采用Void-Assisted Separration技术,在GaN模板上形成多孔网状TiN薄膜,使得缺陷密度降低到5×106cm-2[28]。Y.D.Wang等提出了在多孔GaN上外延生长GaN薄膜[29],M.Mynbaera等提出了在多孔SiC衬底上外延生长GaN薄膜[30],上海微系统研究所齐鸣课题组提出了在多孔阳极氧化铝(AAO)模板上外延生长GaN薄膜[31]。微区掩膜技术不仅能降低位错密度,生长出高质量的GaN薄膜,而且还有助于减缓GaN外延层的应力。
横向外延技术作为GaN异质外延生长中广泛采用的技术,可以将位错密度降到10-5~10-6cm-2,满足GaN基器件对位错的要求。但仍需解决外延层与掩膜相互作用、晶向倾角、光刻工艺复杂及可有效利用的面积小等问题。尽管随后发展的微区掩膜技术在以上问题上有了很大改进,但要实现商业化尚需进行深入研究。
3.3 柔性衬底(SOI)技术
SOI材料自20世纪80年代发展至今,以其独特的结构在低压、低功耗、高温、抗辐射器件、微机电系统等诸多领域得到了广泛应用[32]。SOI材料是由“顶层硅-二氧化硅绝缘埋层-硅衬底”组成的具有3层结构的硅衬底材料。所谓柔性衬底,可以理解为衬底在特定条件下,显示出屈服于异质外延材料性质的柔性特征,通过自身的应变,部分抵消外延层的应力,从而达到降低外延层内部的残余应力、提高晶体质量的目的。
SOI柔性衬底技术最近几年备受研究人员的关注。采用SOI衬底作为外延生长的衬底材料,外延生长中的岛状晶粒与顶层硅之间的原子作用力小于其与体材料衬底之间的作用力。因此,外延生长中的岛状晶粒在生长过程中很容易在顶层硅表面移动,这种滑移现象会在一定程度上降低岛合并过程中界面处穿透位错的产生,提高外延晶体的质量。
近年来,随着SOI材料制备技术的成熟和成本的降低,SOI基GaN外延技术的研究又活跃起来。以色列、比利时、新加坡等国的课题组纷纷开展了相关研究,并取得了初步的结果。以色列S.Zamir等[33]采用MOCVD生长方法在SOI衬底、图形化SOI衬底以及体硅衬底上外延生长GaN材料,发现SOI衬底同体硅衬底相比,可以有效降低裂纹密度,且图形化的SOI衬底可以在图形区域内消除裂纹。比利时KULeuven大学的S.Q.Zhou等[34]尝试在CoSi2埋层的SOI衬底、SiO2埋层的SOI衬底以及体硅衬底上,用MOCVD方法外延生长GaN,发现带有埋层的衬底效果优于体硅衬底,而传统的SiO2埋层效果最为理想。新加坡Instituteor Materials Researeh & Engineering研究机构的S.Tripathy等[35]对SOI衬底做了较为详细的研究,他们采用MOCVD方法成功地在(111)晶向的SOI衬底上生长了InGaN/GaN多量子阱结构,发现高键合强度的SOI衬底在降低裂纹密度与提高光发射效率方面均优于低键合强度SOI衬底。
国内在SOI衬底研究方面也取得了很大进展,王曦课题组[36,37]研究了离子注入改型SOI衬底、选区外延SOI衬底、侧向外延SOI衬底等几种用于GaN外延生长的特殊SOI衬底,SOI衬底在某些方面表现出优于体衬底外延生长的性质,但在引入其他生长工艺的同时也会衍生出一些问题,因此需要消除这些不利的影响因素,充分发挥SOI衬底的积极作用。SOI技术是解决硅基GaN外延生长技术的突破点之一,有利于推动高质量、低成本GaN外延材料的工业化和规模化生产。
3.4 其他外延生长技术
近年来,为了进一步简化外延生长工艺、降低GaN薄膜中的位错密度,还发展了其他外延生长工艺:光刻蓝宝石外延生长技术(PSS, Patternded-sapphire substrate)、可协变外延生长技术等。日本的Kazuyuke Tadatomo等[38]提出了光刻图案蓝宝石衬底外延生长技术,即首先在蓝宝石衬底上沉积一层SiO2,然后采用传统刻蚀技术剥掉SiO2 以及SiO2下一定深度的蓝宝石衬底,除去剩余的SiO2,最后就形成了具有一定深度光刻图案的蓝宝石衬底。本课题组的郝秋燕等[39]用熔融的H3PO4溶液腐蚀蓝宝石,西安光机所的彭东生等[40]用熔融的KOH溶液腐蚀蓝宝石,都形成具有一定腐蚀坑的蓝宝石衬底,在此衬底上外延生长GaN,位错密度可降低至107cm-2。中科院半导体所杨辉小组[41]提出了可协变衬底外延生长技术,即在硅衬底上生长一层缓冲层和一层三氮化物层,并在已生长的三氮化物表面沉积或蒸发一层二氧化硅,再在二氧化硅上沉积一层氮化硅,这样,二氧化硅和位于其上的氮化硅就可以共同构成可协变的衬底结构。
4 结束语
GaN 篇7
关键词：负电子亲和势,GaN,光电阴极,光电发射,激发,输运,激活
0 引言
负电子亲和势(Negative electron affinity,NEA)GaN光电阴极是“日盲”型紫外探测器的核心部件,决定了探测器的总体性能。目前针对NEA GaN阴极发射机理的研究存在局限性[1,2,3,4,5,6],没有形成系统和全面的解释与阐述,发射理论的不完善大大制约了GaN阴极制备水平的提高。
针对上述问题,本工作根据Spicer提出的光电发射“三步模型[7]”:光的吸收、光生载流子的输运、载流子的发射,分析了每一阶段的发射过程,比较全面地探讨了NEA GaN阴极的发射机理。
1 GaN光电阴极中电子的激发
300K时纤锌矿结构的本征GaN晶体的能带结构示意图如图1所示[8]。由图1可知,GaN晶体的导带极小值位于布里渊区中心波矢k=0处。与此同时,在M-L能谷中存在一个极小值,能量比k=0处的极小值约高1.72eV;在A能谷中还存在另一个极小值,能量比k=0处的极小值约高1.92eV。GaN晶体的价带由轻、重两个空穴价带和劈裂价带组成。轻、重两个空穴带的极大值同样位于布里渊区中心k=0处。导带的极小值和价带的极大值位于同一波矢处,因此GaN是直接带隙的半导体材料。
当入射光照射在GaN光电阴极上时,部分电子从价带被激发到导带。价带中的电子吸收入射光子能量向导带跃迁的过程应满足以下的能量和动量守恒条件[9]:
式中:Ei为光电子被激发前所具有的能量,Ef为光电子被激发后所具有的能量,ki为电子被激发前在价带的波矢,kf为导带电子被激发后在导带的波矢,kp为入射光子的波矢。对GaN光电阴极中电子的波矢而言,入射光子的波矢可以忽略不计,由式(2)可得:
由式(3)可知,GaN光电阴极中电子在价带吸收入射光子的能量跃迁到导带后,虽然能量发生了变化,但是波矢不变,属于直接跃迁过程。整个跃迁过程只需要入射光子、被激发光电子以及空穴的参与,不需要与声子交换动量,跃迁几率很高,只要入射光子有足够的能量,GaN阴极中的价带电子基本就能成功跃迁到导带。
2 GaN阴极中光电子的输运
光激发电子被入射光子从价带激发到导带后,由于体内和表面的电子存在浓度差以及内建电场的作用,导带中的光电子由晶体内部向表面运动。如果光激发电子的能量足够大,那么光激发电子向表面运动的过程中就会通过消耗自身能量来激发二次电子,形成电子-电子散射[10]。光激发电子在电子-电子散射过程中损失的能量较大,这种情况下的电子平均自由程较小。如果光激发电子的能量不足以激发二次电子,那么在向表面运动中主要是与晶格发生非弹性散射来损失能量,光激发电子通过吸收或激发声子与晶格交换能量,形成电子-声子散射。光激发电子在电子-声子散射过程中损失能量较小,一般最大不超过0.03eV,平均自由程相对较大。
对金属来说,向表面扩散的光激发电子在运动过程中很容易发生电子-电子散射,这种散射会使电子损失很大一部分能量,造成平均自由程较小,以致电子在到达表面之前就被复合。半导体与金属不同,在半导体的导带中存在一个电子-声子散射专区[11]。对处于NEA状态的半导体来说,这个区域的范围是Ec<E<Ec+Eg。光激发电子在这个区域内不会发生电子-电子散射,只有可能发生电子-声子散射,而受激发电子在电子-声子散射中损失的能量很小,所以这一区域内的光激发电子具有较长的寿命和较大的复合前运动路程。对表面覆铯的GaN阴极而言,电子-声子散射的专区为3.4eV<E<6.8eV,而GaN阴极主要响应波长为200~365nm范围的入射光,对应光子能量在3.4~6.8eV的范围内,因此入射光子产生的光激发电子对应能量也在3.4~6.8eV范围内,所以光生电子在向表面运动的过程中只受到电子-声子散射,以激发声子的形式损失能量。光激发电子在金属和半导体中的输运过程如图2所示,其中Evac为表面处真空能级,Ec为导带底处能级,Ev为价带顶处能级,Eg为禁带宽度。
3 Cs/O激活后GaN阴极中光电子的逸出
NEA GaN阴极的激活过程分为单独用Cs激活和共用Cs/O激活两个阶段。每个阶段对应的阴极表面势垒的变化情况和到达阴极表面光激发电子的逸出几率都有所不同。
3.1 仅用Cs激活GaN阴极中光电子的逸出
GaN材料体内原子的价键完全结合,而表面上原子的价键则由于表面结构相对于体内结构的不完整性并没有完全形成结合。和Ga原子相比,N原子的价键较多,Ga原子的价键可以与N原子的一部分价键结合,所以没有形成结合的价键主要是N原子的价键。剩余的价键上没有电子占据,可以捕获电子,所以GaN光电阴极表面对电子来说可以相当于受主。阴极表面的价键不被完全占据而显示的相应能量状态叫表面态,重掺杂p型GaN光电阴极的表面态接近价带顶。
仅用Cs激活时,越来越多的Cs原子吸附在GaN光电阴极的表面。当GaN光电阴极的逸出功大于Cs原子的电离能,GaN阴极的表面态将捕获Cs原子中最外层的价电子。电离后的正电性Cs+与GaN阴极的负电性p型掺杂杂质XD-形成偶极子层,它使GaN阴极的表面真空能级降低,引起表面势垒的变化,GaN阴极的逸出功也随着表面真空能级的减小而减小。当GaN阴极的逸出功与Cs原子的电离能相同时,GaN阴极的表面态不再捕获Cs原子最外层的价电子,GaN阴极逸出功取得Cs激活过程中的最小值。Cs原子的电离能为1.4eV,而GaN的禁带宽度Eg为3.4eV,因此,仅用Cs激活后GaN材料的表面真空能级明显低于体内导带能级,达到了负电子亲和势状态[3]。仅用Cs激活前后GaN材料能带示意图如图3所示,其中ICs为Cs原子的电离能,φ为GaN材料的逸出功。
Cs激活后GaN光电阴极简化势垒如图4所示[12]。将图4划分为3个区间,x<0对应的区域称为区间Ⅰ,0<x<a对应的区域称为区间Ⅱ,x>a对应的区域称为区间Ⅲ。具有能量E(E<U0)的光激发电子由GaN阴极体内(x<0)向表面势垒(0<x<a)运动,到达GaN阴极表面的光电子试图穿越表面势垒逸出到真空。通过求解各区间的薛定谔方程可以得到光激发电子隧穿表面势垒逸出到真空的几率。
区间Ⅰ对应的定态薛定谔方程为:
区间Ⅱ对应的定态薛定谔方程为:
区间Ⅲ对应的定态薛定谔方程为:
GaN光电阴极表面势垒U(x)的变化方式为:
式(4)-式(7)中η=h/(2π),ψ(x)为波函数,m0为电子的质量,ε为负电性p型掺杂杂质Mg-与正电性Cs+所构成偶极子层的电场强度。
求解式(4)-式(7)可得电子的波函数ψ(x),由波函数ψ(x)可得电子逸出几率P的表达式为:
其中P0与ε0均为恒量,则由式(8)可得电子逸出几率P与GaN阴极表面偶极子电场的电场强度ε成正比。仅用Cs激活过程中,随着吸附在GaN阴极表面的Cs原子逐渐增多,GaN阴极表面偶极子电场的电场强度逐渐增加。由式(8)可得,到达GaN阴极表面光激发电子的逸出几率也逐渐增大,逸出到真空的光激发电子数目增多,激活过程中收集到的光电流也逐渐增大,当逸出功和表面真空能级减小到最小时光电流达到最大值,如图5所示。
3.2 共用Cs/O激活阴极中光电子的逸出
激活过程中光电流总体曲线如图6所示。
从图6可以看出,Cs激活过程中的光电流峰值出现后,光电流开始逐渐下降,当下降到一定比例时开始Cs/O共用激活过程。Cs/O共用激活过程中,随着Cs、O交替激活的进行,光电流不断出现新的峰值,直到前后峰值基本相同为止。
仅用Cs激活过程中,当逸出功和表面真空能级减至最小时,光电流则达到最大值。此后随着Cs激活过程的进行,GaN表面势垒的厚度继续增加,但表面真空能级却不再随着Cs激活过程的进行而降低,致使到达GaN阴极表面的光激发电子隧穿势垒逸出到真空的几率也随之降低,逸出几率降低的外在体现为光电流在峰值出现后持续下降,当达到一定的下降比例时即可进行Cs/O交替激活[13]。
Cs/O交替激活前后GaN阴极能带示意图如图7所示。共用Cs/O激活过程中,Cs和O交替吸附在GaN阴极的表面形成Cs--O=-Cs-结构的偶极子层,这一偶极子层使GaN阴极表面的真空能级进一步降低(在仅用Cs激活引起表面真空能级降低的基础上)。每交替一次,Cs--O=-Cs-偶极子层的结构就改进一次,GaN阴极表面真空能级也随着Cs--O=-Cs-偶极子层结构的改进而降低,因此到达GaN阴极表面光激发电子隧穿势垒逸出到真空的几率随着交替的进行而提高。Cs、O激活过程中逐渐提高的光电流峰值就是GaN阴极表面真空能级随Cs--O=-Cs-偶极子结构改进而降低的直接体现,也是到达GaN阴极表面光激发电子隧穿势垒逸出到真空几率提高的直接体现。随着Cs--O=-Cs-偶极层的结构逐渐改善,每次交替过程使GaN表面真空能级下降的幅度越来越小,使到达GaN阴极表面光激发电子逸出几率增加的幅度也越来越小,因而图6中共用Cs/O激活时前后两次光电流峰值间的差值逐渐减小。
当出现前后两个光电流峰值基本持平的情况时,Cs--O=-Cs-偶极子层的结构基本完善,GaN阴极表面的真空能级降到最低,如果继续进行Cs/O激活只会增加表面势垒的厚度,而不能降低GaN阴极的表面真空能级,到达GaN阴极表面光激发电子隧穿表面逸出到真空的几率和光电流峰值会随着Cs/O激活过程的继续进行而降低,因此在前后峰值基本持平后,当下一个光电流峰值出现时,激活过程结束[14]。通常认为共用Cs/O激活结束后GaN阴极的电子亲和势为-1.2eV,NEA状态更趋明显[15]。
4 结论
GaN 篇8
新一代半导体功率器件主要有SiC场效应晶体管和GaN高电子迁移率晶体管。有别于第一代的Si 双极型功率晶体管和第二代GaAs场效晶体管,新一代SiC和GaN半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高功率密度以及抗辐射能力强等优点,理论上特别适合应用于高频、高功率、抗辐射的功率器件的场合。由于具备这些优点,宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能,广泛应用于雷达、通信、战斗机、海洋勘探等重要领域。本文使用Agilent ADS 仿真软件设计实现一款GaN 宽带功率放大器,并对放大器进行了详细测试,验证了放大器在S波段2 GHz带宽内的宽带性能。
1 设计目标
设计一款S波段宽带放大器,满足如下指标:
工作频率:S波段;
工作带宽:±1 000 MHz;
输出功率:≥44 dBm;
效率:≥30%。
2 宽带放大器设计
2.1 功率器材的选择
为了在S波段2 GHz带宽内输出25 W的功率,对射频功率管有一定的要求:例如低的输出寄生电容、导通电阻等。常用的硅双极管由于单管胞输出功率有限,在高输出功率下,多管胞合成后的特性不能满足宽带设计要求。因此,具有较高功率密度、低导通电阻、低寄生电容、高输出阻抗的宽禁带器件是实现该设计的首选。
基于GaN器件的宽带功率放大器,国外公开的报道已经完成了三代基于管芯的宽带功放研制。第一代功率放大器采用改进的行波放大器结构,带宽为1~8 GHz,小信号增益为7 dB,Vds=18 V时输出功率3.6 W;第二代功率放大器采用LCR匹配,并使用2个Wilkinson合成器实现4路合成,带宽3~10 GHz,小信号增益是7 dB,在8 GHz处最高输出功率可达8.5 W,功率附加效率达到20%;第三代功率放大器采用改进的2×2矩阵行波功率放大器结构,带宽1~6 GHz,输出功率7.5 W,功率附加效率达到25%。
然而由于宽禁带固态器件目前还处于迅速发展阶段,且在军事及航空航天领域的应用潜力,导致高频、大功率、管芯等器件还处于禁运状态,因此该设计使用的宽禁带功率管为允许对国内销售的货架产品。经综合比较,选定的器件指标如表1所示。
2.2 ADS射频仿真
经典的宽带匹配理论由H·W·Bode发表于1945年,他应用环路积分的方法对RC并联负载计算了匹配网络的增益带宽积,证明其小于等于一个常数。其后R·M·Fano,D·C·Youla等人进一步发展了宽带匹配理论。然而,在工程应用设计中,设计一个宽带功率放大器,需要在宽带匹配理论的基础上,兼顾其拓扑结构、宽带匹配网络和宽带偏置网络等;因此,该设计将基于功率匹配的概念,利用大信号下的输入/输出阻抗、精确的非线性模型、谐波平衡仿真、负载牵引仿真设计等,实现目标频段的射频性能。
在仿真设计过程中,单节拓扑结构电路因其本身Q值较高,匹配的频率范围窄,只有在窄频范围内匹配较好,不能用于宽带匹配。因此,只能利用结构复杂的多节拓扑结构电路进行匹配,并利用负反馈技术提高稳定性和拓展带宽。多节匹配电路的特点相对于单节电路结构复杂,占用几何空间大,可控变量多,仿真分析需要更多时间,但其优点是能够在更宽的带宽中寻求更好的匹配设计。
在多支节匹配网络中,输入端各有多段微带线,每个微带线有长度和宽度两个变量,这样在输入端和输出端都有多个可控变量,进行ADS优化仿真设计。在阻抗匹配电路的设计时,实际上是通过共轭匹配将要匹配的器件的端口逐渐匹配到50 Ω的特性阻抗上。又因为一般器件的输入/输出阻抗在射频频段内是随着频率的变化而变化的,所以在用分布参数进行电路匹配时,不可能在所要求的频段内达到完全的匹配,在宽带要求的情况下,更加难以实现。
因此,只能采用一些拓扑结构形式,设计出符合指标的匹配电路,才可以将输入/输出阻抗匹配到50 Ω的特性阻抗上。
构建的匹配电路仿真模型如图1所示。
在电路的仿真设计中,对功率管进行静态工作点设置、稳定性分析后,利用负载牵引仿真,确定输出阻抗,再利用原牵引仿真确定输入阻抗。在兼顾功率及效率的情况下,考虑实际馈电电路的影响后,对设计好的宽带匹配电路进行大信号S参数、谐波平衡等仿真优化。通过仿真优化,在S波段2 GHz带宽频带范围内(f1~f9),仿真结果如图2所示。
功率管的最高频率点F9附近容性特征比较明显,从仿真图也可以看出,在高频率点F9附近的增益较小。在增加带宽的情况下,损失了一部分的增益和效率。
2.3 制作匹配微带版图
根据仿真结果,该放大器的匹配电路版图,如图3所示。
2.4 宽带放大器测试
设计的宽带放大器在S波段2 GHz带宽内的功率输出大于44 dBm,增益大于7.2 dB,带内增益起伏为1.4 dB,达到设计目标。测试结果如表2所示。
此宽带放大器在确保散热良好的情况下,具有连续波工作能力。脉宽300 μs占空比20%。宽带放大器实物图如图4所示,仪表测试如图5所示。
3 结 语
本文对宽带放大器进行了计算机模拟仿真,详述了电路仿真过程,并对设计的放大器电路进行测试。实验数据表明设计的放大器在S波段2 GHz带宽内可实现功率超过44 dBm的输出,验证了GaN 功率放大器的宽带特性。给出了可用于实际设计的方法,对宽带放大器设计实践工作具有一定的帮助。
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