近日，电子科技大学微波毫米波集成电路团队报道了一款基于碳化硅/聚对二甲苯（SiC/Parylene）衬底的异质集成柔性氮化镓（GaN）射频功率放大器。该研究通过创新性地采用薄的SiC散热层与柔性聚合物衬底相结合的策略，成功解决了柔性电子器件在高功率工作状态下的热管理难题，为实现高性能柔性射频功率放大器（PA）提供了新的技术路径。相关成果以《Heterogeneously Integrated Flexible GaN RF Power Amplifier on SiC/Parylene Substrate》为题，发表在《IEEE Electron Device Letters》上。电子科技大学徐跃杭教授为通讯作者，电子科技大学博士郑文豪为文章一作。
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图1：异质集成柔性GaN射频功率放大器。
图2：异质集成柔性GaN射频功率放大器制备工艺
制备流程如下：首先将1cm×1cm的包含氮化镓晶体管的芯片临时粘附于硅载体衬底上。随后通过光刻和溅射200纳米厚的氮化钛薄膜，形成薄膜电阻（TFR），如图2(a)所示。
第二步，采用电子束蒸发工艺依次沉积钛/金（20nm/50nm）粘附层和铜/金（1.7μm/300 μm）厚金属层，形成螺旋电感器和电容器的底部电极（M1金属层），如图2(b)所示。
第三步，通过化学气相沉积（CVD）制备3μm Parylene-N（PN）层，分别作为电感器的绝缘层和电容器的介质层。该材料较低的介电常数有助于减小电感器的寄生电容。随后通过氧等离子体刻蚀形成通孔，如图2(c)所示。
第四步，形成第二金属层（M2），用于电感器的引线连接、MIM电容器的上电极以及通孔的上层连接，从而建立两个金属层之间的有效互连（图2(d)）。完成M2工艺后，将器件翻转并粘附在硅载体晶圆上。如图2(e)所示，采用六氟化硫（SF₆）和氧气（O₂）混合气体的近场感应耦合等离子体（NLD）刻蚀工艺对碳化硅进行刻蚀，刻蚀速率约为1μm /分钟，最终保留约5μm厚SiC层为柔性功率放大器提供有效散热。
最后，通过化学气相沉积在减薄后的碳化硅表面沉积25 μm厚Parylene-C（PC）层形成柔性衬底（图2(f)）。沉积过程控制在35℃低温条件下进行，腔室压力保持在30 mtorr以下，确保不会对减薄后的功率放大器造成热损伤或机械损伤。该PC层在为柔性氮化镓功率放大器提供机械支撑的同时，保证了器件从临时载体分离后的柔韧性。
图3: （a）柔性电感仿真和实测对比 （b）柔性电容仿真和实测对比
在晶圆上测量了无源元件在不同弯曲状态下的S参数，将其转化为相应的感(容)值和Q值后与所建立的等效电路模型进行了比较。平坦状态下，电感在1.6 GHz时的感值为6.4 nH，自谐振频率为8.3 GHz；电容容值为0.85 pF，自谐振频率为6.6 GHz。弯曲条件下，电感值随弯曲半径增大而增加，自谐振频率和品质因数略有下降。其原因在于弯曲导致螺旋电感有效面积增大、磁通量增加，同时寄生电容上升。电容弯曲时容值增大，自谐振频率降低，品质因数因电阻增加而略有下降。测试表明，该工艺制备的柔性无源器件性能稳定，满足电路设计需求。
图4：（a）不同耗散功率下的仿真和实测温度比较 （b）0.25W耗散功率下的器件的热成像图片
如图4（a）所示，无SiC层的热阻为34706°C/W，而含5μm SiC层的热阻仅为255.9°C/W。如图6(b)所示，红外热成像测量显示，在0.25W功耗下最高温度为88.7°C，对应热阻为273.2°C/W，略高于仿真值。
图5：1.6 GHz频率下，功率放大器在平坦状态及弯曲状态（弯曲半径3 cm）时的仿真与实测性能对比。
在漏极电压（VDS）为12V条件下，射频大信号连续波测试结果表明，在1.6 GHz平坦状态下，该功率放大器饱和输出功率（Psat）达到28.3 dBm，相应功率附加效率（PAE）为38.3%，功率增益为5.9 dB（图5(b)）。在弯曲半径为3 cm的弯曲状态下，保持与平坦状态相同的输入功率时，测得输出功率为28.2 dBm，PAE为37.7%，增益为5.8 dB。与平坦状态相比，弯曲状态下饱和输出功率仅下降0.1 dB，功率附加效率和功率增益在饱和区分别降低了0.5%和0.1 dB。
本论文提出了一种用于柔性射频氮化镓功率放大器的异质集成工艺。通过采用减薄SiC/PC复合衬底增强散热能力，成功制备出具有顶尖性能的柔性氮化镓功率放大器。平坦状态下，该器件在1.6 GHz可实现28.3 dBm的饱和输出功率及38.3%的功率附加效率，且在3mm弯曲半径下仍保持稳定的射频性能。研究成果表明，该技术将为集成高功率器件的柔性无线通信系统提供重要支持。
文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11137367
文章由电子科技大学微波毫米波集成电路团队供稿。