碳化硅電子:全球協會提倡SiC高頻PIN二極管

    PIN二極管廣泛應用于移相器、轉換器、衰減器和RF上的限制器、超高頻和微波系統。這些器件——應用范圍從民用和軍事雷達到移動電話基站發射和衛星通信裝置——被首選的原因是較便宜、更可靠、持續時間更長，能在較高速下工作。在低的直流偏壓下，它們能在高微波功率水平下工作，因此它們效率也更高。這些 PIN的頻率響應也好，由于對給定的導通電阻它們有相對低的靜態電容，而它們較高的截止電壓使它們在高功率或者高頻應用中，具有比MESFET更突出的優勢。

    目前高頻器件都是由GaAs和Si材料制成的。然而，由于SiC材料本身具有卓越的特點，用它來代替GaAs和Si材料制造這些高頻器件，性能會更好。siC材料制備的器件高的轉換速度和等同的微波功率控制能力，或在相同的轉換速度時，可提供更大的微波功率控制能力。

    轉換成SiC PIN也能省去一些器件，使電路更簡化。當使用Si PIN時，在脈沖模式下，幾個二極管必須聯合控制超過幾千瓦功率，這導致復雜的窄帶電路，并增加了需要專門的制冷系統的不足。用SiC，控制幾千瓦RF功率只需一個或兩個二極管，因此寬帶電路變得更簡單，且更容易制冷。

    功率控制要求對當今的二極管也更緊迫，因為現在尖端的飛機是隱形飛機，它們反射的能量低，探測它們需要更高的能量。  當用在這些應用上時，Si 的低擊穿電壓限制了二極管輸出和它的低熱導，阻礙散熱。SiC PIN與Si作比較，在這兩方面表現更好。它們也能在比Si和GaAs器件高的溫度下工作，二者典型的限制環境低于175℃；SiC PIN的相對耐高溫特性使得它能應用在惡劣環境，如在蒸氣機和飛機渦輪上。

    GaN與SiC在幾個特性上存在相似性，因而有潛力成為高功率微波PIN二極管的材料候選者，但它實際上有幾個不適合的原因，不像SiC，它不適合制造在高功率條件下提供十分穩定的垂直輸送器件；再者，GaN的p型重摻雜也困難，這使接觸電阻較高；也不可能在器件邊緣生長出高質量鈍化的熱氧化物。最后GaN襯底的嚴格實用性意味著制造必須在外來平臺上進行，如藍寶石，這又導致了散熱差和高器件電阻。

    由于上述幾點，在研究和商業化應用寬帶材料方面，目標集中在SiC上。總的來說，PIN二極管正被開發為低頻轉換器需求和SiC MESFET高頻微波應用，勿需驚訝，因為低頻SiC PIN二極管的市場數量級比對應的較高頻器件的大。另外，對于各種形式的化合物半導體技術，當前的趨勢是用MMIC替代微波二極管，這也為我們提出了疑點：為何與SiC相關的微波部分的研究計劃都是針對MESFET的？

    然而，SiC微波 PIN二極管有潛力實現高性能，它們不能忍受許多傳統問題，如大量的缺陷，以及由于正偏壓衰變而破壞用作功率電子的SiC器件，很少有缺陷是較小器件尺寸的直接結果，這需要降低電容和放大高頻特性來解決。這些芯片在尺寸上較小，針對應用中要求5kW或更高的功率控制，有源層厚度能被降到6祄以下。

    為加速SiC PIN的發展，五年前，希臘－研究技術基金會（FORTH）建立一個協會由Svetlana Electronpribor和俄羅斯約飛研究所和烏克蘭ORION組成，由密歇根州大學的George Haddad管理，他是近40年來Si和GaAs基二極管的領先開發者。

    我們協會已經在4H襯底上制成了SiC PIN二極管，并在寬帶開關上進行了測試，它能在X-band（8-12GHz）范圍內工作。外延結構和器件的幾何結構被優化過后，這些器件可投入制造；他們這么做能充分利用現有的工藝技術以及可用性材料。

    4H-SiC二極管采用CVD法生長的，而商業化的外延片和材料是在Ioffe Institute通過升華方法（參見“制造4H-SiC PIN”和圖1中對二極管封裝的描述）制得。用CVD法生長的二極管其直流特性和快速開關性能表現優秀。在100mA驅動電流下，漂移層電阻是1.6×10-4Ωcm2，表明基層可進行有效的電導調制，以及有可能將開關速度調節至10ns以下。對于直徑大于150祄的臺面結構，在100V擊穿電壓時，其電容完全控制在0.5pF以下，這說明這種臺面結構有潛力在高頻下工作。

    在適合功率X-band的特殊可調波導單刀單擲開關（SPST）應用領域（圖2），我們已經預估了80-150祄封裝器件的特性，這種類型開關的關鍵是高速、高功率工作，輸入信號的高低轉換分別在“開”和“關”狀態。在“開”狀態，若插入損耗為0dB，一個完好的開關將產生和輸入信號一樣的輸出信號；在“關”狀態，若絕緣值無窮大，則沒有信號傳輸。

圖1. 晶片被劃片成600×600μm芯片，每一個芯片都包含一個單二極管，這些芯片隨后通過擴散焊接方法被焊接和用熱壓力去形成5μm厚的上金層封裝，在溫度達700℃時仍保持機械強度；由于在封裝中加入了特殊的高溫聚酰亞胺，在溫度達到600℃時能使SiC PIN二極管的漏電流低于10μA。

    在窄帶之外的 8.5-10.5GHz頻率范圍內，我們的單刀單擲開關（SPST）其隔離度19-25dB，插入損耗小于2dB，這項損耗類似于工作在幾千兆赫茲下的商業用硅基RF開關，隔離度通常超過30dB。對開關進行廣泛而又長期的熱應力測試，證實了開關的電學特性十分穩定。

    我們也已經進行了高功率測試：在9.5GHz下，測定100祄直徑的二極管的功率處理能力。這些測試包括使用1祍脈沖，開關時間比為1000，在“開”狀態驅動電流是 100mA，“關”狀態的電壓是100V。開關“開”時，在微波功率為2kW時會產生一個穩定的隔離度（22.5dB），在“關”時當功率達到1.8kW 時器件的插入損耗低于1dB。當所用驅動為100mA時，由于差動電阻阻值大于1Ω，從而產生了相應的低隔離度。

    通過建立兩種類型的含多個二極管的調制電路，我們已經改善了開關的絕緣性和寬帶工作能力。我們的三極管調制電路是對針對便攜通訊系統而設計的，既小巧，且方便使用，而我們的樣品包括兩個二極管，適合高溫工作；三極管封裝則產生30dB的隔離度，插入損耗低于2dB，在1-6GHz頻帶開關時間低于30ns，在2-7GHz之間溫度達到300℃。它的兩個二極管部分產生的插入損耗僅在1-2.5dB之間，隔離度在33-45dB之間（圖3）。隔離度的峰值實際上隨溫度增加而增加，這首次證明了SiC PIN適用于高溫高頻領域，我們將繼續研究這些PIN電路在高功率連續波和脈沖信號下的工作特性。

圖2. 單刀雙擲（SPDT）開關通過PIN二極管傳送RF信號到地面，二極管的電阻通過正直流信號控制。該原型的制作包括：用Al/Au微帶線在500μm藍寶石電介質上形成耐高溫的微波混合集成電路（HIC），二極管上面的接觸用60μm厚的金絲連接到微波IC板上，它的背面通過熱壓輔助焊接到Ni/Au模板（接地）；之后，耐高溫電介質化合物注入PIN中，以防止它在高壓下被空氣電離；SPDT開關用來保護直流電壓帶來的信號，它的電容器被設計用來將工作溫度提升到300℃以上；感應器則用單金線制成，典型的SMA連接器通過熱壓輔助焊接到微帶上。

    我們的SiC PIN開發過程結果說明，對于商業型Si和GaAs器件，這些器件的工作溫度較高，功率處理特性相當。然而，這項工作還處在初期階段，我們認為SiC的潛力很大，它仍有提高器件性能的巨大空間。
    我們的目標是尋找另一種襯底薄膜，制得的器件在“開”狀態，能降低阻抗提高隔離度。然而，我們也在努力開發4H-SiC模式的調制電路，它的主要特點是開關二極管和驅動電路用同樣的材料制成。我們將著手開發開關和驅動器的分離電路，在這之前，我們用MMIC法將兩者結合在一起，制造出一種適用于惡劣環境下的集成模塊。

作者簡介
Nicolas Camara是希臘-研究技術基金會研究員，感謝NATO和INTAS（國際合作促進協會新獨立州前蘇聯科學家）協會的資助。