大功率GaN基HEMT技术发展路线和主要申请人专利技术分析综述

武树杰++李娟娟

【摘 要】大功率HEMT（High Electron Mobility Transistor：高电子迁移率晶体管）由于其优良的性能，在各个领域得到了广泛的应用，随着第三代（3G）、第四代（4G）无线通讯，全球定位系统，军用雷达，高速铁路，和电动汽车的发展，对微电子材料提出了更高的要求，要求材料具有高的热稳定性、高抗辐射性、高频响应、耐腐蚀性、耐高压和传输大电流和更快的传输速度。通过分析大功率HEMT（High Electron Mobility Transistor：高电子迁移率晶体管）相应数据库中分类号的分布以及与技术的关联，给出了技术路线图，并给出了过内技术的发展，分析了国内外申请人人代表性专利。

【关键词】高电子迁移率晶体管 二维电子气 技术路线

1 引言

GaN基HEMT具有大电流密度、高功率密度、低噪声、良好的频率特性决定了GaN在军用民用两个领域都有广泛的应用前景，GaN基HEMT的单位功率密度是GaAs基HEMT的10倍，可以减小系统尺寸并降低阻抗匹配的难度。GaN基功率器件具有较高的工作电压，一般民用通讯基站前端工作电压为28V，使用Si和GaAs需要降低工作电压，需要变压器，并可能产生失真。GaN基功率器件可以工作于42V，可以减小系统体积和系统复杂程度，并且GaN基功率器件可以工作在Ka波段以及300℃的高温环境，在武器应用方面有着重要的应用价值。其覆盖1-100GHz的工作频率可以广泛应用于3G＼4G通讯、卫星通讯、相控阵雷达、智能武器等方面。

2 专利技术发展路线

GaN是理想的耐高温、高频、大功率微波器件材料，1991年美国APA光学公司的Khan等人成功研制出世界上首支AlGaN/GaN HEMT，并在美国提出了专利申请（701，792； 26，528公开号分别为：US5192987A，US5296359A）分别为具有GaN/AlxGa1-xN异质结的HEMT器件[1]，以及制造方法的另一专利申请，上述两项专利申请还不能进行大规模的应用，处于实验室阶段，但是开启了GaN基功率器件的研究。

2003年NEC公司通过引入场板技术增大器件的栅漏击穿电压，功率密度达到11.2W/mm@10GHz；克里（CREE）在具有InGaN背势垒上的SiC衬底上制备的AlGaN/GaN材料上研制了150nm栅长的HEMT，功率密度达到了13.7W/mm@30GHz；2008年HRL研制的AlGaN/GaN/Al0.04Ga0.96N的双异质结HEMT峰值频率高达200GHz。

2.1 全球专利状况分析

美国引用量最多，然后是中国和欧洲，日本引用的很少，这与日本的撰写习惯有关，日本申请人通常只引用自己本国的专利申请，从年代引用的情况来看，以美国的引用为例，其变化趋势与GaN基HEMT在全球申请随时间的变化一致。后继申请的技术方案均是以该申请文件中的披露的技术方案为基础，并没有对器件主要结构进行突破，均是改善行发明，在提高材料质量的大目标下，通过改进器件的局部结构，如：栅极和源漏极之间的隔离，栅极介质，栅极形状，限制沟道区2DEG的材料等方面改善器件的性能。下边以克里公司为例说明通过场板技术，提高器件性能。

克里公司在GaN基HEMT器件取得领先优势，得益于期生长的出其他公司不能比拟的高质量的GaN，其场板技术提高器件的性能，公开号为CN1950945A的专利文献[2]及其相应的同族，公开了一种晶体管，包含多个位于一基片上的有源半导体层，并且其源极与漏极与这些半导体层接触。在这些源极与漏极之间以及多个半导体层上形成一栅极。在这些半导体层上配置多个场板，每一场板从该栅极的边缘朝该漏极延伸，并且每一场板与这些半导体层、以及与这些场板的其它场板隔离。这些场板的最高场板电连接至该源极，并且这些场板的其它场板电连接至栅极或源极，能够解决场板至漏极电容的引起减小增益影响输出稳定性的技术问题。

2.2 国内专利状况分析

从我国主要的申请人可以看出，主要的参与者包括中科院、中国电子集团，其中，最为活跃的是中科院半导体研究所，中科院微电子研究所，中国电子集团13所，中国电子集团55所。高校研究者为西安电子科技大学。主要的研究的企业为西安能讯半导体。

中科院半导体研究所的特长在于提供高质量的GaN材料，其处于国内领先水平，并实现了小量供片，国内的西安电子科技大学的对GaN基微电子材料进行了深入的研究。由国家牵头，中科院半导体所和中国电子集团合作，2000年制作出了国内首支GaN基HEMT器件，并由半导体所提供材料，与中国电子集团的13所和55所合作，在2003年制造出C波段大尺寸GaN基HEMT器件，在2004制造出输出功率大于1W的国内第一支X波段GaN基HEMT器件，2008年制造出X波段GaN基HEMT器件脉冲输出功率为176W，连续输出功率为130.32W，功率密度为17.8W/mm。

3 结语

本文主要以中文专利摘要数据库、德温特世界专利索引数据库和世界专利文摘库数据库收录的专利为样本，通过分析了国内外大功率GaN基HEMT器件的专利技术路线，以及主要申请人做了进一步分析，总体上来说，GaN基HEMT器件结构和已经趋于稳定，如何进一步提高器件的性能成为主要的研究热点。

参考文献：

[1]US5192987，Muhammed A. Khan James M. VanHove Jon N. Kuznia Donald T. Olson ，”High electron mobility transistor with GaN/AlxGa1-xN heterojunctions”.

[2]CN1950945A，吴益逢 P·帕里克 U·米史拉 M·摩尔，具有多个场板的宽能带隙晶体管.