碳化硅电子:全球协会提倡SiC高频PIN二极管

    PIN二极管广泛应用于移相器、转换器、衰减器和RF上的限制器、超高频和微波系统。这些器件——应用范围从民用和军事雷达到移动电话基站发射和卫星通信装置——被首选的原因是较便宜、更可靠、持续时间更长，能在较高速下工作。在低的直流偏压下，它们能在高微波功率水平下工作，因此它们效率也更高。这些 PIN的频率响应也好，由于对给定的导通电阻它们有相对低的静态电容，而它们较高的截止电压使它们在高功率或者高频应用中，具有比MESFET更突出的优势。

    目前高频器件都是由GaAs和Si材料制成的。然而，由于SiC材料本身具有卓越的特点，用它来代替GaAs和Si材料制造这些高频器件，性能会更好。siC材料制备的器件高的转换速度和等同的微波功率控制能力，或在相同的转换速度时，可提供更大的微波功率控制能力。

    转换成SiC PIN也能省去一些器件，使电路更简化。当使用Si PIN时，在脉冲模式下，几个二极管必须联合控制超过几千瓦功率，这导致复杂的窄带电路，并增加了需要专门的制冷系统的不足。用SiC，控制几千瓦RF功率只需一个或两个二极管，因此宽带电路变得更简单，且更容易制冷。

    功率控制要求对当今的二极管也更紧迫，因为现在尖端的飞机是隐形飞机，它们反射的能量低，探测它们需要更高的能量。  当用在这些应用上时，Si 的低击穿电压限制了二极管输出和它的低热导，阻碍散热。SiC PIN与Si作比较，在这两方面表现更好。它们也能在比Si和GaAs器件高的温度下工作，二者典型的限制环境低于175℃；SiC PIN的相对耐高温特性使得它能应用在恶劣环境，如在蒸气机和飞机涡轮上。

    GaN与SiC在几个特性上存在相似性，因而有潜力成为高功率微波PIN二极管的材料候选者，但它实际上有几个不适合的原因，不像SiC，它不适合制造在高功率条件下提供十分稳定的垂直输送器件；再者，GaN的p型重掺杂也困难，这使接触电阻较高；也不可能在器件边缘生长出高质量钝化的热氧化物。最后GaN衬底的严格实用性意味着制造必须在外来平台上进行，如蓝宝石，这又导致了散热差和高器件电阻。

    由于上述几点，在研究和商业化应用宽带材料方面，目标集中在SiC上。总的来说，PIN二极管正被开发为低频转换器需求和SiC MESFET高频微波应用，勿需惊讶，因为低频SiC PIN二极管的市场数量级比对应的较高频器件的大。另外，对于各种形式的化合物半导体技术，当前的趋势是用MMIC替代微波二极管，这也为我们提出了疑点：为何与SiC相关的微波部分的研究计划都是针对MESFET的？

    然而，SiC微波 PIN二极管有潜力实现高性能，它们不能忍受许多传统问题，如大量的缺陷，以及由于正偏压衰变而破坏用作功率电子的SiC器件，很少有缺陷是较小器件尺寸的直接结果，这需要降低电容和放大高频特性来解决。这些芯片在尺寸上较小，针对应用中要求5kW或更高的功率控制，有源层厚度能被降到6祄以下。

    为加速SiC PIN的发展，五年前，希腊－研究技术基金会（FORTH）建立一个协会由Svetlana Electronpribor和俄罗斯约飞研究所和乌克兰ORION组成，由密歇根州大学的George Haddad管理，他是近40年来Si和GaAs基二极管的领先开发者。

    我们协会已经在4H衬底上制成了SiC PIN二极管，并在宽带开关上进行了测试，它能在X-band（8-12GHz）范围内工作。外延结构和器件的几何结构被优化过后，这些器件可投入制造；他们这么做能充分利用现有的工艺技术以及可用性材料。

    4H-SiC二极管采用CVD法生长的，而商业化的外延片和材料是在Ioffe Institute通过升华方法（参见“制造4H-SiC PIN”和图1中对二极管封装的描述）制得。用CVD法生长的二极管其直流特性和快速开关性能表现优秀。在100mA驱动电流下，漂移层电阻是1.6×10-4Ωcm2，表明基层可进行有效的电导调制，以及有可能将开关速度调节至10ns以下。对于直径大于150祄的台面结构，在100V击穿电压时，其电容完全控制在0.5pF以下，这说明这种台面结构有潜力在高频下工作。

    在适合功率X-band的特殊可调波导单刀单掷开关（SPST）应用领域（图2），我们已经预估了80-150祄封装器件的特性，这种类型开关的关键是高速、高功率工作，输入信号的高低转换分别在“开”和“关”状态。在“开”状态，若插入损耗为0dB，一个完好的开关将产生和输入信号一样的输出信号；在“关”状态，若绝缘值无穷大，则没有信号传输。

图1. 晶片被划片成600×600μm芯片，每一个芯片都包含一个单二极管，这些芯片随后通过扩散焊接方法被焊接和用热压力去形成5μm厚的上金层封装，在温度达700℃时仍保持机械强度；由于在封装中加入了特殊的高温聚酰亚胺，在温度达到600℃时能使SiC PIN二极管的漏电流低于10μA。

    在窄带之外的 8.5-10.5GHz频率范围内，我们的单刀单掷开关（SPST）其隔离度19-25dB，插入损耗小于2dB，这项损耗类似于工作在几千兆赫兹下的商业用硅基RF开关，隔离度通常超过30dB。对开关进行广泛而又长期的热应力测试，证实了开关的电学特性十分稳定。

    我们也已经进行了高功率测试：在9.5GHz下，测定100祄直径的二极管的功率处理能力。这些测试包括使用1祍脉冲，开关时间比为1000，在“开”状态驱动电流是 100mA，“关”状态的电压是100V。开关“开”时，在微波功率为2kW时会产生一个稳定的隔离度（22.5dB），在“关”时当功率达到1.8kW 时器件的插入损耗低于1dB。当所用驱动为100mA时，由于差动电阻阻值大于1Ω，从而产生了相应的低隔离度。

    通过建立两种类型的含多个二极管的调制电路，我们已经改善了开关的绝缘性和宽带工作能力。我们的三极管调制电路是对针对便携通讯系统而设计的，既小巧，且方便使用，而我们的样品包括两个二极管，适合高温工作；三极管封装则产生30dB的隔离度，插入损耗低于2dB，在1-6GHz频带开关时间低于30ns，在2-7GHz之间温度达到300℃。它的两个二极管部分产生的插入损耗仅在1-2.5dB之间，隔离度在33-45dB之间（图3）。隔离度的峰值实际上随温度增加而增加，这首次证明了SiC PIN适用于高温高频领域，我们将继续研究这些PIN电路在高功率连续波和脉冲信号下的工作特性。

图2. 单刀双掷（SPDT）开关通过PIN二极管传送RF信号到地面，二极管的电阻通过正直流信号控制。该原型的制作包括：用Al/Au微带线在500μm蓝宝石电介质上形成耐高温的微波混合集成电路（HIC），二极管上面的接触用60μm厚的金丝连接到微波IC板上，它的背面通过热压辅助焊接到Ni/Au模板（接地）；之后，耐高温电介质化合物注入PIN中，以防止它在高压下被空气电离；SPDT开关用来保护直流电压带来的信号，它的电容器被设计用来将工作温度提升到300℃以上；感应器则用单金线制成，典型的SMA连接器通过热压辅助焊接到微带上。

    我们的SiC PIN开发过程结果说明，对于商业型Si和GaAs器件，这些器件的工作温度较高，功率处理特性相当。然而，这项工作还处在初期阶段，我们认为SiC的潜力很大，它仍有提高器件性能的巨大空间。
    我们的目标是寻找另一种衬底薄膜，制得的器件在“开”状态，能降低阻抗提高隔离度。然而，我们也在努力开发4H-SiC模式的调制电路，它的主要特点是开关二极管和驱动电路用同样的材料制成。我们将着手开发开关和驱动器的分离电路，在这之前，我们用MMIC法将两者结合在一起，制造出一种适用于恶劣环境下的集成模块。

作者简介
Nicolas Camara是希腊-研究技术基金会研究员，感谢NATO和INTAS（国际合作促进协会新独立州前苏联科学家）协会的资助。