近日，電子科技大學微波毫米波集成電路團隊報道了一款基于碳化硅/聚對二甲苯（SiC/Parylene）襯底的異質集成柔性氮化鎵（GaN）射頻功率放大器。該研究通過創新性地采用薄的SiC散熱層與柔性聚合物襯底相結合的策略，成功解決了柔性電子器件在高功率工作狀態下的熱管理難題，為實現高性能柔性射頻功率放大器（PA）提供了新的技術路徑。相關成果以《Heterogeneously Integrated Flexible GaN RF Power Amplifier on SiC/Parylene Substrate》為題，發表在《IEEE Electron Device Letters》上。電子科技大學徐躍杭教授為通訊作者，電子科技大學博士鄭文豪為文章一作。
論文截圖
圖1：異質集成柔性GaN射頻功率放大器。
圖2：異質集成柔性GaN射頻功率放大器制備工藝
制備流程如下：首先將1cm×1cm的包含氮化鎵晶體管的芯片臨時粘附于硅載體襯底上。隨后通過光刻和濺射200納米厚的氮化鈦薄膜，形成薄膜電阻（TFR），如圖2(a)所示。
第二步，采用電子束蒸發工藝依次沉積鈦/金（20nm/50nm）粘附層和銅/金（1.7μm/300 μm）厚金屬層，形成螺旋電感器和電容器的底部電極（M1金屬層），如圖2(b)所示。
第三步，通過化學氣相沉積（CVD）制備3μm Parylene-N（PN）層，分別作為電感器的絕緣層和電容器的介質層。該材料較低的介電常數有助于減小電感器的寄生電容。隨后通過氧等離子體刻蝕形成通孔，如圖2(c)所示。
第四步，形成第二金屬層（M2），用于電感器的引線連接、MIM電容器的上電極以及通孔的上層連接，從而建立兩個金屬層之間的有效互連（圖2(d)）。完成M2工藝后，將器件翻轉并粘附在硅載體晶圓上。如圖2(e)所示，采用六氟化硫（SF?）和氧氣（O?）混合氣體的近場感應耦合等離子體（NLD）刻蝕工藝對碳化硅進行刻蝕，刻蝕速率約為1μm /分鐘，最終保留約5μm厚SiC層為柔性功率放大器提供有效散熱。
最后，通過化學氣相沉積在減薄后的碳化硅表面沉積25 μm厚Parylene-C（PC）層形成柔性襯底（圖2(f)）。沉積過程控制在35℃低溫條件下進行，腔室壓力保持在30 mtorr以下，確保不會對減薄后的功率放大器造成熱損傷或機械損傷。該PC層在為柔性氮化鎵功率放大器提供機械支撐的同時，保證了器件從臨時載體分離后的柔韌性。
圖3: （a）柔性電感仿真和實測對比 （b）柔性電容仿真和實測對比
在晶圓上測量了無源元件在不同彎曲狀態下的S參數，將其轉化為相應的感(容)值和Q值后與所建立的等效電路模型進行了比較。平坦狀態下，電感在1.6 GHz時的感值為6.4 nH，自諧振頻率為8.3 GHz；電容容值為0.85 pF，自諧振頻率為6.6 GHz。彎曲條件下，電感值隨彎曲半徑增大而增加，自諧振頻率和品質因數略有下降。其原因在于彎曲導致螺旋電感有效面積增大、磁通量增加，同時寄生電容上升。電容彎曲時容值增大，自諧振頻率降低，品質因數因電阻增加而略有下降。測試表明，該工藝制備的柔性無源器件性能穩定，滿足電路設計需求。
圖4：（a）不同耗散功率下的仿真和實測溫度比較 （b）0.25W耗散功率下的器件的熱成像圖片
如圖4（a）所示，無SiC層的熱阻為34706°C/W，而含5μm SiC層的熱阻僅為255.9°C/W。如圖6(b)所示，紅外熱成像測量顯示，在0.25W功耗下最高溫度為88.7°C，對應熱阻為273.2°C/W，略高于仿真值。
圖5：1.6 GHz頻率下，功率放大器在平坦狀態及彎曲狀態（彎曲半徑3 cm）時的仿真與實測性能對比。
在漏極電壓（VDS）為12V條件下，射頻大信號連續波測試結果表明，在1.6 GHz平坦狀態下，該功率放大器飽和輸出功率（Psat）達到28.3 dBm，相應功率附加效率（PAE）為38.3%，功率增益為5.9 dB（圖5(b)）。在彎曲半徑為3 cm的彎曲狀態下，保持與平坦狀態相同的輸入功率時，測得輸出功率為28.2 dBm，PAE為37.7%，增益為5.8 dB。與平坦狀態相比，彎曲狀態下飽和輸出功率僅下降0.1 dB，功率附加效率和功率增益在飽和區分別降低了0.5%和0.1 dB。
本論文提出了一種用于柔性射頻氮化鎵功率放大器的異質集成工藝。通過采用減薄SiC/PC復合襯底增強散熱能力，成功制備出具有頂尖性能的柔性氮化鎵功率放大器。平坦狀態下，該器件在1.6 GHz可實現28.3 dBm的飽和輸出功率及38.3%的功率附加效率，且在3mm彎曲半徑下仍保持穩定的射頻性能。研究成果表明，該技術將為集成高功率器件的柔性無線通信系統提供重要支持。
文章鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11137367
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