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GaN微电子器件的研究进展及应用

  以Si和GaAs为代表的传统半导体材料,其器件在抗辐射、高温、高压和高功率的要求下已逐渐不能满足现在电子技术的发展。宽禁带半导体(SiC、GaN等)电子器件,可以应用在高温、高压、高频和恶劣的环境中,如雷达、无线通信的基站及卫星通信。GaN禁带宽度大、击穿电压高、电子饱和漂移速度高,具有优良的电学和光学特性以及良好的化学稳定性,使其在高频大功率、高温电子器件等方面倍受青睐。宽禁带半导体已成为微电子学新领域,是当代半导体科学技术最重要的前沿领域之一。
 
  1. GaN材料
  1.1 GaN材料性质
  GaN是一种很稳定的化合物并且显示了很强的硬度,它的宽禁带、高饱和速度以及高的击穿电压有利于制造成为微波功率器件。GaN是一个非常稳定的化合物并且展现出很强的硬度。正是这种在高温下的化学稳定性再结合其硬度特性,使氮化镓被制成了一种具有吸引力的防护涂层材料,有利于制造高温器件。
 
  1.2 GaN材料结构与特性
  GaN材料具有两种晶体结构,分别为六方对称的纤锌矿结构(见图1(a))和立方对称的闪锌矿结构(见图1(b))。通常条件下,GaN以六方对称性的纤锌矿结构存在,纤锌矿结构是由两套六方密堆积结构沿c轴方向平移5c/8套构而成,它的一个原胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的一半。但在一定条件下也能以立方对称性的闪锌矿结构存在。闪锌矿结构则由两套面心立方密堆积结构沿对角线方向平移1/4对角线长度套构而成。这种现象在Ⅲ族氮化物材料中是普遍存在的,称为多型体现象(Polytypism)。
GaN纤锌矿晶体结构 

 
  纤锌矿GaN材料的物理特性见表1,其质地坚硬,熔点较高,且化学性质非常稳定,但是离子刻蚀(RIE)可以有效地对GaN进行刻蚀,从而促进了GaN器件的发展。GaN材料具有较高的电子漂移饱和速度和电子迁移率,室温下其电子迁移率可以达到900cm2/V·s,从而使其非常适于制做高速器件。另外,GaN材料电击穿强度高、漏电流小,使其适于制作高压器件。
表1 纤锌矿GaN的物理特性
纤锌矿GaN的物理特性 
 
  1.3 GaN材料的不足
  在理论上由于其能带结构的关系,其中载流子的有效质量较大,输运性质较差,则低电场迁移率低,高频性能差。
  现在用异质外延(以蓝宝石和SiC作为衬底)技术生长出的GaN单晶,还不太令人满意,例如位错密度达到了108~1010/cm2;未掺杂GaN的室温背景载流子(电子)浓度高达1017/cm3,并呈现出n型导电;虽然容易实现n型掺杂,但p型掺杂水平太低(主要是掺Mg),所得空穴浓度只有1017~1018/cm3,迁移率<10cm2/V.s,掺杂效率只有0.1%~1%。
  总之,从整体来看,GaN的优点弥补了其缺点,而制作微波功率器件的效果还往往要远优于现有的一切半导体材料。
 
  2. GaN微电子器件的研究进展
  2.1 GaN常见微电子器件
  2.1.1 GaN基MOSFET
  采用GaN制作的MOSFET在高温、高压以及大功率器件方面有很好的发展前景。1998年,F.Ren等人制造出第一只GaN MOSFET,使用了Ga2O3(Cd2O3)做栅介质材料。2000年至2005年,J.W.Johnson、Kuan-weiLee、Y.lrokawa、KevinMatocha分别使用SiO2/Gd2O3、液相淀积SiO2、MgO等材料制作GaN MOSFET,显著提高了源漏击穿电压,器件表现出良好的调制效应。2006年,Heon-BokLee等报道SB-MOSFET的阈值电压为1.62V,另外W.Huang等人也报道了GaN MOSFET器件峰值场效应迁移率达到167cm2/V·s。2007年,YukiNiiyama等人报道了GaN MOSFET器件可以在250℃高温下正常工作。
 
  2.1.2 GaN基MESFET
  采用GaN的宽禁带和简单的制造工艺,采用低压MOCVD技术,并在蓝宝石衬底上利用一层AlN薄膜缓冲层来提高GaN膜质量的方法来制作MESFET器件。1993年,Khan等人采用该方法首次制造了GaN MESFET,并用Ti/Au形成欧姆接触作为源和漏,用银形成肖特基接触作为栅。最终获得器件栅长为1μm,在栅偏压为-1V处,跨导为23mS/mm。随后,S.C.Binari等人采用有机物金属汽相外延技术在蓝宝石衬底上生长一个无意识掺杂的GaN外延层的方法制作了具有更好微波性能的GaN MESFET。并预测随着设计和工艺的提高,GaN MESFET的fT将达到20~40GHz。
 
  2.1.3 GaN基MODFET
  虽然硅是研究最多和最先进的技术,但它不能在各种条件下表现出良好的性能。新的宽带隙半导体尤其是氮化镓(GaN)则弥补了硅的不足,成为实现超高功率和超高频微波应用的首选。氮化镓异质技术已用于研究高性能调制掺杂场效应晶体管(MODFET)和自对准MOS门使用了氮化镓调制层,如图1。
MOS AlGaN/GaN HEMT结构 
图1 MOS AlGaN/GaN HEMT结构
 
  该GaN基MODFET机构是在GaN HEFT结构的基础上构建的。在HEFT结构上添加一个掺杂的AlGaN层和一个未掺杂的GaN层。这样做目的是调制掺杂,优化了2DEG性能,从而提高2DEG传输特性。
 
  2.1.4 GaN基HBT
  据报道,GaN/SiC HBT具有高的电流增益。GaN和SiC的禁带宽度分别为3.4eV和2.9eV,两者都具有高的热导率,分别为1.3W/cm·℃和5.0W/cm·℃。两种材料相当匹配。可以采用n型掺杂,浓度为1.8×1018cm-3的SiC衬底作为集电极。另外,还有有关GaN/InGaN/GaN HBT等的报道。而用于大功率通信和雷达的功率放大器的AlGaN/GaN npn HBT,其高温工作的温度也可达到300℃。GaN基HBT常用的结构如图2所示。
GaN HBT常用的结构示意图 
图2 GaN HBT常用的结构示意图
 
  双异质结HBT的发射区采用宽禁带材料,其中基区和集电区采用窄禁带材料。由于发射区材料和基区材料的禁带宽度不同,HBT在异质界面处存在导带不连续和价带不连续。价带不连续阻挡基区空穴向发射区反向注入,所以HBT的电子注入效率和电流增益大大提高。
  据报道,这种GaN HBT在其发射极工作时的DC增益为8。用水平外延过生长技术选择生长方法制作的GaN HBT,基区载流子浓度达到8×1017/cm3,室温时DC增益为6。
 
  2.1.5 GaN基MISFET
  GaN金属-绝缘体-半导体场效应管可以采用OMVPE在蓝宝石衬底上制造,其剖面结构如图3所示。
GaN MISFET截面结构示意图 
图3 GaN MISFET截面结构示意图
 
  该器件的制作过程是在蓝宝石衬底上外延40nm的AlN,作为缓冲层,再淀积3μm的本征GaN、淀积3nm的AlN隔离层;最后淀积200nm GaN。源和漏分别利用Ti/Au和Ti/Al。
  这种结构具有漏电流小、栅压高的优点,可用于制作大功率微波器件。由于该MISFET利用Si3N4的绝缘体作为栅,代替肖特基栅。与GaN基MODFET类似,采用一个掺杂的GaN层和一个未掺杂的AlGaN层便达到了这一要求,由于栅介质材料为绝缘体,就形成MISFET效应晶体管结构。
 
  2.1.6 AlGaN/GaN MOS-HEMT
  在1992年制备成功具有2DEG的GaN基异质结后,1993年制造出第一只GaN基HEMT。之后,随着AlGaN/GaN的单异质结生长工艺和机理研究不断成熟,作为GaN基HEMT主要结构的Al-GaN/GaN HEMT器件的性能也一直在不断提高。从1993到上世纪末,AlGaN/GaN HEMT推动发展的机理主要是异质结性能的提高、工艺技术(如台面刻蚀、肖特基接触和欧姆接触)的逐步演变和不断改进以及热处理技术的不断成熟。而从2000年以后至今,AlGaN/GaN异质结材料的性能已趋于基本稳定,AlGaN/GaN HEMT器件性能的提高主要依靠工艺水平的提高和器件结构的改进,图4为Al-GaN/GaNHEMT的基本结构。
AlGaN/GaN HEMT基本结构 
图4 AlGaN/GaN HEMT基本结构
 
  2.2 GaN微电子器件的最新进展
  最近十年来,GaN器件的研究飞速发展,对其的研究、开发和制造已成为目前国际半导体领域中的热点问题,并获得了巨大的发展,现在全球已有接近100家公司和200多所大学与研究所进行GaN材料、工艺和光电器件开发的研究。
 
  2.2.1 GaN基稀磁半导体
  稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors,DMS)是一种由磁性过渡族金属离子或稀土金属离子部分替代非磁性半导体中的阳离子所形成的新的一类半导体材料,是制造自旋电子器件的重要材料。
  2000年,Dietl等人通过理论计算得到了不同掺杂的p型半导体温度的预期值。该工作表明,掺Mn的氮化镓(GaN)基稀磁半导体(Ga,Mn)能实现室温甚至更高温度下载流子诱导的铁磁性。同时,Pearton等人也利用平均场的理论预测了不同带隙的DMS材料的居里温度,并假定材料中的铁磁性相互作用是由空穴来传递的。之后,Dalpian等人又利用能带结构的模型解释了Mn掺杂的Ⅲ-Ⅴ族以及Ⅱ-Ⅵ族的半导体中的磁有序,并利用带结构和能级排斥模型解释了Mn基的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族的半导体,比如GaN,CdTe,ZnO和GaAs。最近,Lee等人利用第一性原理计算研究了过渡金属掺杂的GaN稀磁半导体的价带劈裂。研究表明Fe、Co、Ni或Cu掺杂的GaN的价带具有长程自旋劈裂,掺杂的磁性离子之间具有长程的相互作用,成为最佳稀磁半导体候选材料。
 
  2.2.2 毫米波GaN功率器件
  近日,微电子研究所微波器件与集成电路研究室研制成功了毫米波GaN功率器件。毫米波GaN功率器件采用的新结构(凹栅槽与T型栅相结合的方法),有效地缩短了栅长,并降低了寄生电容。该器件的截止频率fT可达到104.3GHz(如图5),最高振荡频率fmax可达到160GHz(如图6)。其功率测试(30G下MAG达到13.26dBm)是国内目前相关研究中已知的最高频性能。
最高截止频率fT =104 .3GHz 
图5 最高截止频率fT =104 .3GHz
最高振荡频率fmax=160GHz4 
图6 最高振荡频率fmax=160GHz4
 
  3. 应用
  纵观GaN微电子器件的发展历程,并结合GaN材料的特性,可以看出其呈现出良好的发展势头,且已进入实用化阶段。GaN半导体材料的商业应用始于1970年,目前其在薄膜和单晶生长技术以及光电技术方面的突破达40多个。GaN的优异性能使GaN微电子器件在高频、高速方面的应用有很大的潜力,可以在高温、高压下工作,且具备高功率输出的能力。GaN器件的广泛应用预示着光电信息甚至是光子信息时代的来临。如今,微电子器件正以指数式扩张的趋势发展,至今GaN器件在军用和民用方面都得到相当广泛的应用。
  在军用方面,由于GaN微电子器件可以在600~1100℃的温度范围内工作,其高频、大功率和强的抗辐射能力也占很大优势,从而得到了军事宇航领域的广泛重视。并且随着GaN器件技术的日渐成熟,宇航系统设备中会更多的使用GaN器件,使宇航系统的工作能力与可靠性都得到最大限度的提升,国际上,美国雷声公司正在研发基于GaN的收发组件,以用于未来雷达升级,并声明很快就能用这些收发组件取代那些对功率和性能要求日益提高的雷达元器件。
  在民用方面,GaN基器件的对高频率和大功率的处理能力对于发展高级通信网络中的放大器、调制器以及其它关键器件都很重要。现在的第三代移动通信中的无线网络可使人们利用手机或其它便携式设备访问可支持高质量音频甚至视频应用的高速数据流。

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