電流垂直流動集成大功率PIN限幅MMIC技術

彭龍新，戴家赟，王 釗，賈晨陽

（1.南京電子器件研究所，南京 210016；2.微波毫米波電路與模塊國家重點實驗室，南京 210016）

1 前言

為了保護雷達中收發(Transmitter/Receiver，T/R)組件[1]免受外來超大功率脈沖的照射而損壞，急需提高T/R組件中接收支路中限幅器的耐功率能力。限幅器[2]是有源相控陣雷達系統和電子對抗系統中的重要元器件，為了防止接收支路中的低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）因發射支路中的大功率放大器的泄露功率、天線反射功率或外來超大功率而燒毀，往往需要在LNA前面放置限幅器。限幅器的特點是，在其輸入端出現微波大功率時，自動衰減微波功率至較低的功率電平；而輸入微波信號較小時，則可以使微波信號以較小的損耗通過。由于近年來GaN等大功率放大器的出現，雷達T/R組件中發射支路泄露到接收支路的功率大幅度提高，同時面對敵對雷達的高功率對面輻射，傳統的單片GaAs PIN限幅器(耐功率10～100 W)已經無法滿足要求，需要更大功率的限幅器來保護接收支路。為此，提出了一種異質(也可同質)集成垂直PIN限幅器。限幅器中的PIN二極管縱向導電，電流均勻分布，可極大地提高限幅器的耐功率能力。其工藝過程為：①分別制作同質PIN二極管和在SiC襯底上制作限幅器的匹配電路；②采用自停止技術減薄PIN晶圓襯底至10μm左右；③把整個薄圓片轉移到SiC襯底上，再采用Au-Au熱壓鍵合把含有PIN的薄晶圓與SiC襯底低溫鍵合，制成超大功率限幅器。為了使限幅器的性能最優，本文研制了一種SiC襯底Si PIN異質限幅器，選擇Si PIN二極管作為限幅器的核心器件，因為相對于GaAs PIN而言，Si的開啟電壓較小，可以使限幅器的輸出漏電平減小，而且少子壽命也較長，限幅器的耐功率可以更高。選用SiC為襯底，主要是因其熱阻較小，有利于PIN二極管的散熱。

2 橫向導電結構對限幅器耐功率能力的影響

目前常見的微波單片集成電路(Microwave Monolithic Integrated Circuits,MMIC)限幅器，是把GaAs PIN二極管和匹配電路同時集成在GaAs襯底上，從而形成尺寸較小的GaAs單片限幅器，但是GaAs限幅器的耐功率能力受到了PIN橫向結構的限制。2019年南京電子器件研究所研制的C波段限幅器采用雙路結構，耐功率在150 W左右[3]，而TriQuint Semiconductor報道的C波段限幅器的耐功率是100 W[4]。一般X波段限幅器的耐功率在100 W左右[5]，Ka波段在15 W左右[6]，而且功率容量較難再提升。其原因主要是：①對于GaAs PIN單片限幅器來說，其中的PIN二極管是橫向結構(如圖1所示)，電流在N+內橫向流到二極管的陰極，而N+層的橫向路徑較長，電阻較大，導電能力弱，最后電流集中到B點處，造成B點過熱而燒毀；②GaAs材料的少子壽命較短，只有5～10 ns，不能有效地渡越厚I區；③GaAs襯底導熱系數只有40～50 W/(m·K)，且較厚(一般100μm)，導熱能力低也嚴重限制了GaAs PIN限幅的功率容量。

圖1 傳統橫向GaAs基PIN二極管

而對于Si PIN二極管來說，Si基襯底漏電，很難把匹配電路集成在Si基襯底上，因而基本沒有Si PIN二極管單片集成限幅器產品，一般只能用介質板匹配電路與Si PIN二極管搭建限幅器混合模塊電路，因而體積較大，性能一致性較難控制到小范圍內。傳統Si基分立PIN二極管雖為縱向結構（如圖2所示），但襯底較厚(約100μm)，串聯電阻較大，厚襯底也不利于導熱。

圖2 傳統Si基分立PIN二極管

圖3是圖1的橫向PIN二極管的微分等效電路圖，將它等分成n個微小的PIN二極管D1、D2、...、Dn，且電流電壓特性相同；R1、R2、...、Rn是每個微小二極管電流流過的橫向N+寄生電阻，且R1=R2=...=Rn-1=R。由于工藝原因，陰極電極需要離二極管有一段距離，其串聯電阻為Rn。設二極管的總電壓為Vd，各微小二極管的電壓為Vd1、Vd2、...、Vdn，電流為id1、id2、...、idn。

圖3 橫向PIN二極管帶有寄生電阻的微分等效電路

限幅器中的PIN二極管在大注入時，二極管的電流Id與端電壓Vd的關系為[7]：

其中q為電子電荷，Da為雙極性擴散系數，ni為I區本征濃度，d為I區厚度，La為雙極性擴散長度，F(d/La)為一個系數函數。則各微小二極管的電流為：

從圖3可知：

聯立上述2n個非線性方程解出2n個未知數：id1、id2、...、idn和Vd1、Vd2、...、Vdn。由式（2）、（3）、（5）可以看出id2=Id1exp[qid1R/(2kT)]＞id1，同樣id3＞id2，...，idn＞id(n-1)，即idn＞id(n-1)＞...＞id2＞id1。由此可見最靠近陰極處的微小二極管流過的電流idn最大，離陰極越遠的微小二極管電流id1最小，因此橫向結構中的PIN二極管往往在陰極邊緣燒毀。

例如，假設N+的厚度為1～2μm，摻雜濃度為(3～5)×1018/cm3，其橫向方塊電阻約為9Ω/cm，GaAs PIN二極管的長度為10μm，陰極離二極管邊緣為3μm(Rn≈0.27Ω)，寬度為100μm，分為5個2μm的小二極管(R≈0.18Ω)，且建立二極管的模型[8-10]，那么每個微小二極管的I-V特性如圖4所示。在同一陽極電壓下，最靠近陰極處的微小二極管流過的電流id5最大，離陰極最遠的微小二極管電流id1最小。在DC 2 V時最邊緣的微小二極管的電流id5是最里面微小二極管電流id1的5.06倍(0.486 A/0.096 A)。

圖4 橫向PIN二極管的I-V特性

若在PIN的陽極接CW 20 W＠3.3 GHz的微波功率，則id5的振幅是id1的1.5倍(429.4 mA/287.1 mA)，如圖5所示。可見內外電流極不均衡，PIN離陰極最近的邊緣將首先燒毀。

圖5 電流橫向流過N+的微小PIN二極管的微波電流（輸入功率20 W＠3.3 GHz）

3 縱向導電結構對限幅器耐功率能力的提升

現在設計一種新型的垂直導電PIN二極管結構，如圖6所示。該結構在N+層下方直接蒸發金屬形成歐姆接觸，電流垂直流過PIN的N+層，然后橫向流過1μm厚的金屬電極（方塊電阻為0.025Ω），除了工藝需要增加N+層厚度到3μm左右外，其他參數都不變，則所有微小PIN的電流垂直流過N+的電阻為RN+=9Ω×(3μm×1.2μm)/(100μm×2μm)=0.162Ω；橫向流過金屬電極的電阻為Rm=5×10-4Ω；PIN邊緣到陰極的電阻Rmn=7.5×10-4Ω。其等效電路如圖7所示。

圖6 新型垂直結構GaAs PIN二極管

圖7 垂直PIN二極管的微分等效電路

縱向PIN微小二極管的I-V特性如圖8所示，在DC 2 V時所有微小二極管的電流幾乎相等，即id1～id5=0.847～0.854 A，PIN二極管內各處的電流非常均勻，總電流為4.248 A。由于id1～id5差異很小，在圖中5根曲線幾乎重疊成一根曲線。

圖8 縱向PIN微小二極管的I-V特性

從圖4和圖8可以看出，同尺寸的PIN二極管，垂直PIN的直流導電能力是橫向PIN的4.248 A/1.127 A=3.77倍。

圖9是施加微波功率30.34 W＠3.3 GHz時，每個微小PIN二極管的電流情況。5個二極管的導通電流id1～id5幾乎都是427 mA,而圖5中在微波功率僅20 W時，最邊緣的小二極管已到達相同電流427 mA。由此可知，由于縱向PIN導電均勻，微波導電能力是橫向PIN的1.517倍。由于id1～id5差異很小，在圖中5根曲線幾乎重疊成一根曲線。

圖9 垂直PIN微小二極管的微波電流（輸入功率30.34 W＠3.3 GHz）

4 集成縱向導電PIN結構的工藝實施與限幅器研制結果

為了得到最優的限幅器性能（即既要耐功率大又要輸出漏電平小），選用如下PIN材料和結構：Si PIN二極管和導熱優良的SiC襯底（兼顧工藝兼容性或價格等因素，也可以是其他襯底）。Si PIN二極管的開啟電壓(約0.7 V)比GaAs PIN二極管(1.2 V)小，所以由其組成的PIN的輸出漏功率小；Si PIN二極管的I-V曲線一般在GaAs的左邊，在相同電流下，Si PIN上的壓降小、功耗小、發熱小，所以Si PIN二極管的耐功率更大。根據功率要求，確定Si PIN材料的P+、I和N+的濃度和厚度，再設計實施工藝，得到異質垂直PIN結構，如圖10所示。圖中所示是2個PIN的串聯，每個PIN的陽極(頂部)和陰極(底部)全是金屬歐姆接觸，因此是垂直結構。制造出來的限幅器芯片如圖11所示，尺寸為3.3 mm×3.1 mm，在S波段測得的小信號插損約1.5 dB，輸入駐波小于2.3，輸出駐波約1.5，異質集成大功率限幅器的小信號測試結果如圖12所示。

圖10 異質集成超大功率PIN結構

圖11 異質集成超大功率限幅器掃描電鏡圖

圖12 異質集成大功率限幅器的小信號測試結果

同時進行了大功率測試，測試該限幅器的耐功率和輸出漏電平，測試原理如圖13所示。其中的放大器約能輸出1000 W的功率(去除電纜等損耗，實際到被測限幅器輸入端約750 W)，通過調節信號源的輸出功率和放大器的工作電壓來調節放大器的輸出功率。在被測限幅器前加一耦合器，檢測輸入功率Pin和反射功率，功率計1監測輸入功率，功率計2監測由限幅器反射的功率，功率計3監測被測限幅器的輸出漏電平Pout。在3.5 GHz下，6#樣品的輸入功率從300 W到700 W，脈寬(Pulse Width，PW)為500μs，占空比(Duty Cycle,DC)為10%，持續時間10 min，測試結果如圖14所示，輸出漏電平Pout在10.3～11.8 dBm內，隨輸入功率增加略有增大。

圖13 大功率限幅器的耐功率和輸出漏電平測試原理

圖14 6#樣品在3.5 GHz下的耐功率情況

另取一只21#樣品，在頻率3.5 GHz下，分別測量了不同輸入功率、不同脈沖下的耐功率情況，測試結果如圖15所示。輸入功率200 W(連續波功率）、500 W（脈沖功率，脈寬500μs～3 ms,占空比5%～30%）、600 W（脈沖功率，脈寬1～3 ms，占空比10%～30%）和700 W（脈沖功率，脈寬500μs，占空比5%）各10 min，監測到輸出漏電平在12.5～13.8 dBm內。每測完一次，取下限幅器在顯微鏡下觀察芯片，看是否有損傷或燒毀，再測試其S參數，看其性能是否下降。經觀察和測量，被測限幅器在上述輸入功率和時間下，芯片完好，性能保持不變，說明限幅器能承受上述大功率。

圖15 21#樣品在3.5 GHz下的耐功率情況

另外本文對限幅器進行了紅外測量，在襯底溫度為70℃、輸入功率為44 dBm時的紅外測溫圖如圖16所示。從溫度-顏色圖可以看出限幅器中的PIN二極管在此功率下幾乎不發熱。

圖16 垂直PIN功率限幅器的紅外測溫圖

5 討論

(1)本文選用了Si PIN二極管和導熱優良的SiC襯底來驗證垂直PIN二極管的構思，但在實際工程中，也許需要考慮工藝兼容性或價格等因素，也可以采用GaAs、GaN等PIN二極管或肖特基二極管；襯底材料也可以選用其他的襯底，如GaAs、陶瓷等，同樣可實現電流垂直流動的限幅器。

(2)此技術與普通的PIN二極管的工作原理相同，但改變了電流分布。在橫向結構中，電流是通過薄層N+橫向流到陰極，在靠近陰極處的N+電流密度過高，因而在較低功率下就可能燒毀。而垂直結構中，電流是垂直流過薄層N+后直接到陰極金屬，因而縮短了路徑，且電流在二極管內均勻分布，不集中在哪一點，可以通過更高的電流。

(3)由此技術制造的PIN限幅器和一般的限幅器工作原理相同，可以在更高頻率下使用。一般來說，為了較小的插損，在高頻下都要選用較小的PIN二極管，因而限幅器的耐功率隨著頻率的增加而減小。

6 結論

根據提出的電流垂直流動集成PIN二極管限幅器的構思，設計了工藝方案和加工方法，通過自停止100 mm晶圓減薄、轉移和Au-Au低溫熱壓鍵合技術，成功研制了超大功率限幅器。其在頻率3.5 GHz下，能持續承受200 W連續波功率，300 W、400 W、500 W、600 W、700 W不同脈沖功率各10 min，且輸出漏電平僅10.3～13.7 dBm，耐功率比GaAs PIN限幅器提高了至少3倍，限幅漏電平減小了4～6 dB，耐功率的提升和漏電平的降低特別明顯。測試結果驗證了垂直Si PIN異質集成的可行性和PIN二極管縱向導電構思的先進性，極大地提高了限幅器的功率容量和功率承受能力，是將來大功率限幅器的發展方向。