射頻微波（RF&Microwave）技術(shù)是利用 300MHz～300GHz 頻段電磁波實(shí)現(xiàn)信息傳輸、能量轉(zhuǎn)換與傳遞的核心技術(shù)。

隨著航空航天、無(wú)線通信、雷達(dá)、無(wú)人駕駛、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅速發(fā)展，倒逼微波射頻器件的向著大功率、寬帶寬、高效率和更小尺寸的方向不斷發(fā)展，也對(duì)射頻微波元器件特別是射頻微波功率器件、芯片的可靠性、熱電穩(wěn)定性、干擾和抗干擾性、制造工藝、封裝、散熱等方面提出了越來(lái)越高的要求或期待。

本文將主要以第三代寬禁帶射頻微波GaN功率管為例，簡(jiǎn)要闡述有源微波射頻器件作為相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)的細(xì)胞級(jí)元素的重要性，以及在相關(guān)產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)中的重要地位。

寬禁帶GaN射頻微波功率器件的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

眾所周知，無(wú)線電調(diào)制信號(hào)經(jīng)天線輻射后，在空間傳播過(guò)程中衰減顯著且速率極快，而且隨著載波頻率越高，其衰減就會(huì)愈發(fā)加劇。因此，各類(lèi)通信發(fā)射機(jī)的射頻前端需要功率放大器這一模塊或部件去提供足夠大的微波射頻功率以保證信號(hào)以足夠的功率能量傳輸?shù)揭欢ǖ木嚯x，而射頻微波功率管器件正是微波射頻功放中不可缺少的關(guān)鍵器件，在信號(hào)發(fā)射的過(guò)程中起著向輻射天線提供足夠能量即射頻微波功率的關(guān)鍵作用，故必不可少。

隨著高數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)距離通信和通信系統(tǒng)設(shè)備小型化的需求的常態(tài)化，第二代以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為主要材料的射頻微波功率半導(dǎo)體功率管已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了高效率、高承載高功率的技術(shù)指標(biāo)的要求，因此，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料為代表的、具有寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)、高導(dǎo)熱率和高電子遷移率的第三代微波射頻功率半導(dǎo)體器件應(yīng)運(yùn)而生，其實(shí)物樣貌以及第1代鍺化硅（SiGe）/第2代砷化鎵（GaAs）/第3代碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）的截止頻率VS功率等級(jí)的比較分別如圖.1和圖2.所示。

圖1. GaN微波射頻功率放大器件/芯片實(shí)物樣貌

（注：圖片源自“射頻百花潭”）

圖2. 第1/2/3代功率器件截止頻率VS功率等級(jí)的比較

（注：圖片源自“射頻百花潭”）

根據(jù)其封裝不同分為塑封、陶瓷封裝以及裸封等不同類(lèi)型的形式。GaN射頻微波功率管以其在高溫、高電壓、高頻率和大功率應(yīng)用中表現(xiàn)出色，更適用作射頻微波功率放大器件，使得它在5G乃至6G通信、雷達(dá)系統(tǒng)等要求高功率、高效率的通信系統(tǒng)的應(yīng)用中展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力。

應(yīng)用示例框圖，如圖3.中標(biāo)有Main和Peak處所示；實(shí)物示意圖如圖4.所示。SiC功率器件以其高導(dǎo)熱率、高開(kāi)關(guān)速度和高擊穿電場(chǎng)的出色表現(xiàn)廣泛且比較成熟在電動(dòng)汽車(chē)、充電樁逆變器、新能源發(fā)電和變電等方面開(kāi)始得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這里就不再一一舉例說(shuō)明。

圖3. GaN微波射頻功率管在包括5G通信在內(nèi)PA模塊中的應(yīng)用示例框圖

圖4. GaN微波射頻功率管在包括5G通信在內(nèi)PA模塊中的應(yīng)用實(shí)物示意圖

前寬禁帶GaN射頻微波功率芯片淺析言

通俗地講，以碳化硅SiC和氮化鎵GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)是在以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導(dǎo)體器件在其功能、性能指標(biāo)發(fā)展到其瓶頸期和天花板狀況下應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生，并經(jīng)過(guò)逐步研制迭代而發(fā)展起來(lái)的?；贕aN 的微波射頻功率器件或芯片旨在突破第二代器件在功率譜密度提升、減小熱阻提升單位面積散熱效果、降低導(dǎo)通電阻以提升能量轉(zhuǎn)換效率、以此材料的高電子遷移率而拓寬大功率下截止頻率fT至微波及毫米波波段乃至亞毫米波波段等問(wèn)題發(fā)展起來(lái)的，而且仍在可持續(xù)發(fā)展和演進(jìn)中。

微波射頻GaN功率器件/芯片具有高功率、高效率、低導(dǎo)通電阻、低熱阻、高電子遷移率（高截止頻率和寬帶寬+）、高擊穿電場(chǎng)（即耐高壓）等優(yōu)良特性，因此在5G通信和其它專(zhuān)用通信發(fā)射體統(tǒng)中已經(jīng)逐漸取代LDMOS和其它有關(guān)第二代的射頻微波功率管，業(yè)已投入商用或其它專(zhuān)用場(chǎng)景，就GaN微波功率器件而言，目前還沒(méi)有SiC那么成熟，從功能/性能設(shè)計(jì)、工藝、封裝等方面還在不斷地提升發(fā)展中，所以，有必要對(duì)GaN微波射頻功率放大器件在上述設(shè)計(jì)方面作以簡(jiǎn)單介紹，使相關(guān)技術(shù)、業(yè)務(wù)人員有個(gè)初步了解和總體印象。

與Si和SiC器件的“垂直”架構(gòu)，即（柵極【G】）和源極【S】在同一表面，而漏極【D】在襯底的下表面上）而不同，GaN微波射頻功率放大器件采用“橫向架構(gòu)”，即柵極（G）、源極（S）和漏極（D）都在同一表面，圖.5為GaN功率器件的一般結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5. GaN微波射頻功率管結(jié)構(gòu)示意圖

（注：圖片源自“射頻百花潭”）

采用這種“橫向架構(gòu)”的水平結(jié)構(gòu)是為了要將在AlGaN/GaN界面上自發(fā)形成的具有高電子遷移率的二維電子氣（2DEG）用作電流路徑。這種結(jié)構(gòu)的晶體管統(tǒng)稱(chēng)為HEMT（High Electron Mobility Transistor），譬如LDMOS以及某些GaAs晶體管也屬于此類(lèi)。GaN的另一個(gè)特點(diǎn)是其晶體可以生長(zhǎng)在各種襯底上。因此，盡管曾經(jīng)能夠生產(chǎn)的單晶材料直徑不大，但可以在相對(duì)較為便宜的Si襯底上生長(zhǎng)成GaN晶體，對(duì)于橫向結(jié)構(gòu)，便可以用大直徑的Si襯底制造GaN HEMT,從而降低造價(jià)，便于大批量商用。

橫向GaN HEMT微波射頻功率器件的特征在于使用2DEG來(lái)實(shí)現(xiàn)極高的遷移率，與Si或SiC的垂直結(jié)構(gòu)相比，器件各部分電容（如極間電容、寄生電容）顯著減小，柵極電容可比同類(lèi)器件降低約一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，其響應(yīng)速度比常規(guī)功率器件高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這是GaN微波射頻功率器件最為重要的特征。當(dāng)然該種器件科研人員也在研究與Si和SiC類(lèi)似的高耐壓GaN垂直結(jié)構(gòu)器件，而且除了工藝難度之外，持續(xù)電流引起的耐壓退化之類(lèi)的問(wèn)題還未完全得以解決，還需要一定的時(shí)日和投入加持，GaN HEMT微波射頻功率器件或芯片更優(yōu)異的功能和性能指標(biāo)還在持續(xù)發(fā)展的路上。

第三代微波射頻功率芯片GaN的可靠性問(wèn)題

辯證法告訴我們，任何技術(shù)都具有兩面性，作為第三代的寬禁帶半導(dǎo)體器件的GaN和SiC也不例外。前面我們簡(jiǎn)述了關(guān)于微波射頻功率器件或芯片的GaN在功能、性能等方面所表現(xiàn)出來(lái)的諸多優(yōu)勢(shì)，但它同樣存在著或面臨一個(gè)重要問(wèn)題，而且這個(gè)問(wèn)題對(duì)GaN而言更是一個(gè)比較嚴(yán)峻的考驗(yàn)，那就是其可靠性問(wèn)題。

比如，第三代寬禁帶GaN在制造生產(chǎn)過(guò)程中由于工藝、材料等原因引起的晶格失配缺陷、源漏歐姆接觸問(wèn)題、熱電阻問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)因結(jié)構(gòu)計(jì)算原因引起的非最佳外延問(wèn)題，鈍化問(wèn)題，等等（當(dāng)然，器件和芯片科研、研制人員也在演進(jìn)的路上不斷地努力改進(jìn)、規(guī)避、甚至消除這些問(wèn)題）。

圖6. GaN微波射頻功率器件可靠性問(wèn)題示例

（注：圖片源自“射頻百花潭”）

這些源于設(shè)計(jì)、工藝、封裝、生產(chǎn)等各方面的問(wèn)題都是導(dǎo)致GaN器件內(nèi)部缺陷、局部失效的潛在隱患，它們將最終導(dǎo)致GaN的可靠性問(wèn)題，從而表現(xiàn)出GaN在微波射頻功能、性能上的退化、失效，甚至其損毀，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致相關(guān)模塊局部起火燒毀；況且，微波射頻GaN器件屬于高功率、同等功率密度下相對(duì)尺寸、體積較小的高功率發(fā)熱器件。

所以，無(wú)論從該器件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)本身，還是對(duì)于其商業(yè)應(yīng)用，可靠性問(wèn)題是首要考慮和重視的一個(gè)大問(wèn)題?？煽啃詥?wèn)題同時(shí)直接關(guān)聯(lián)著穩(wěn)定性和安全性，因此，GaN微波射頻功率器件的可靠性問(wèn)題是其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的首要問(wèn)題，也是包含集成電路在內(nèi)的器件生產(chǎn)廠商和用戶(hù)首當(dāng)其沖考慮的問(wèn)題，其重要性不言而喻。

廣電計(jì)量半導(dǎo)體服務(wù)優(yōu)勢(shì)

廣電計(jì)量是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域技術(shù)能力最全面、知名度最廣的上市第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，聚焦高功率、高速度、高集成和高算力的先進(jìn)半導(dǎo)體及超大規(guī)模集成電路國(guó)產(chǎn)自主可控需求，致力于為半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈提供專(zhuān)業(yè)的質(zhì)量評(píng)價(jià)與可靠性提升技術(shù)服務(wù)。

在微波射頻領(lǐng)域，廣電計(jì)量在廣州、成都、上海、深圳、無(wú)錫等地建有專(zhuān)業(yè)的微波射頻實(shí)驗(yàn)室，在產(chǎn)業(yè)集群地建設(shè)微波射頻產(chǎn)業(yè)公共服務(wù)平臺(tái)，具備業(yè)界高端的專(zhuān)業(yè)儀器儀表設(shè)備、千級(jí)超凈間等，致力于微波射頻器件 / 芯片及部件 / 模塊產(chǎn)品提供全生命周期可靠性保障。

圖.7廣電計(jì)量微波射頻業(yè)務(wù)能力板塊