线性度提升1000倍！新技术打破硅基氮化镓射频瓶颈

一项新技术攻克了制约硅基氮化镓半导体在主流射频领域落地的核心性能瓶颈。半导体材料企业Atomera总裁兼首席执行官Scott Bibaud表示，该技术依托低成本硅衬底实现射频性能突破，将彻底改写氮化镓在射频领域的成本格局。

面向高性能射频场景的氮化镓器件，传统上均采用碳化硅衬底制造。这类器件性能优异，但成本高昂且难以实现规模化量产。反观硅衬底，不仅成本更低、更易扩产，还可适配大尺寸晶圆，同时与主流硅基制造工艺具备高度兼容性。

但硅与氮化镓的晶格结构并不匹配，两种材料的过渡区域会产生位错，并向上延伸至氮化镓有源层，大幅劣化器件性能。随着外延层厚度增加，位错密度通常会有所降低。650伏氮化镓功率器件的氮化镓层厚度一般约为4至5微米，较厚的膜层能够在一定程度上降低位错密度。而射频用氮化镓的膜层厚度通常仅2微米左右，因此位错问题会更加突出。此外，两种半导体材料的热膨胀系数存在差异。当晶圆从约1000摄氏度的外延生长温度冷却至室温时，会出现翘曲变形。

为解决上述问题，业内会在生长氮化镓之前，先逐层沉积多种不同组分的材料。其中首层为成核层，主流材料为氮化铝。行业长期投入大量工程资源，用以抑制位错、控制晶圆翘曲。目前相关技术已发展成熟，硅基氮化镓功率器件具备商业化价值，凭借优异性能，其市场规模也实现高速增长。市场研究机构Yole预测，未来五年氮化镓功率器件市场的年均复合增长率将达到40%。

而硅基氮化镓在射频领域的发展进度落后于功率领域，核心原因是硅衬底界面会形成寄生电荷层，造成射频损耗增加，同时线性度与功率承载能力也不及其他技术。制造过程中，铝、镓元素会渗入硅衬底并形成P型掺杂，进而生成这类有害的寄生电荷层。即便采用高阻硅衬底，在制备成核层及后续晶圆加工环节，界面处依然会积累电荷。

寄生沟道的形成原理示意图

受寄生沟道损耗影响，硅基氮化镓在射频应用中表现不佳，高频工况下效率下滑问题尤为突出。Atomera推出的米尔斯硅技术（MST）有效降低了此类损耗，为5G及其他高频射频设备打造出兼具高线性度与低成本的氮化镓解决方案。

米尔斯硅技术是一种基于量子工程的薄膜技术。该技术在硅晶圆表层生成一层经氧改性的薄层，为氮化镓外延生长打造更优质的基底，让硅衬底能够更好地支撑高性能射频器件的研发制造。这一可控薄层可改变硅晶格结构，阻挡电掺杂剂扩散，进而提升氮化镓与硅结合界面的晶体品质。

Atomera与比利时射频半导体测试服务商Incize达成合作，针对MST样品开展了全面射频性能表征。在小信号射频测试，首轮测试采用共面波导结构开展小信号射频测试，测算射频损耗，并进一步换算为晶圆等效电阻率。多组晶圆完成测试后，XRD表现最优的那款MST结构，同样在射频测试中拔得头筹。 

最优MST样品的射频损耗与等效电阻率频率特性

在大信号射频测试，输入功率测试区间约为-15dBm至+40dBm，同步采集二次、三次谐波功率数据。在输入功率+15dBm时，最优MST样品的二次谐波功率为-96dBm，三次谐波功率为-115dBm；该样品900兆赫兹下等效电阻率达16千欧・厘米。作为参照，普通硅基氮化镓对比晶圆的二次谐波功率为-67dBm，三次谐波功率为-87dBm。换算可知，MST样品的二次、三次谐波功率，均比对比晶圆低约1000倍，线性度实现质的飞跃。 

各类射频技术性能对标曲线

实测表明，米尔斯硅技术可全面提升氮化氧化硅平面器件的各项晶圆级可靠性指标。Incize创始人兼首席执行官Mostafa Emam称：“除小信号性能得到优化外，大信号测试结果尤为亮眼。同时器件在大功率工作区间也实现了线性度提升，性能已接近高端射频SOI技术水平。”

Atomera内部测试结果显示，米尔斯硅技术可将寄生沟道电荷降低一个数量级以上，从根源减少射频功率损耗，显著提升硅基氮化镓器件的高频性能。测试数据同时证明，搭载该技术的器件在高负载、高功率工况下，仍能稳定保持信号品质与线性度。

Atomera创始人兼首席技术官Robert Mears补充道，线性度是射频设计人员最为关注的指标。他表示：“最新测试数据显示，采用米尔斯硅技术的硅基氮化镓产品，射频损耗与线性度指标均可媲美高端高陷阱射频SOI器件。在30毫瓦标准输入功率下，其线性度较普通硅基氮化镓对比晶圆提升了千倍，表现十分出色。”