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氮化镓异质结型HEMT器件的基本结构

  AlGaN/GaN HEMT基本结构如图1所示,最底层是衬底层,然后外延生长GaN层和AlGaN层,AlGaN/GaN形成异质结,导电沟道在异质结靠近GaN的一侧。在AlGaN薄层上肖特基接触形成栅极(G),欧姆接触形成源极(S)和漏极(D)。
AlGaN/GaN HEMT的基本结构 
图1 AlGaN/GaN HEMT的基本结构
 
  1. AlGaN/GaN HEMT的衬底和生长方法
  AlGaN/GaN异质结型HEMT的基本结构如图1所示,GaN是在衬底上进行外延生长形成的,而不是像Si一样可以生成单晶,在单晶上形成器件。GaN是Ⅲ-Ⅴ族化合物材料,很难生成大块的单晶GaN材料,因此需要借助于衬底材料,采用先进的外延方法生成高质量的GaN材料。外延生长要求衬底与外延层有良好的晶格匹配性和热膨胀匹配性,可以生长高质量的GaN外延层;同时也要求有良好的绝缘性和导热率,因为GaN HEMT是高功率器件,需要良好的导热性。生长GaN外延层薄膜的衬底材料主要有蓝宝石、SiC、Si、ZnO等[47]。蓝宝石的成本较低,绝缘性能好,具有六方对称性,易于进行处理和生长前清洗,耐高温,但是与GaN的晶格失配(13%)和热膨胀失配较大,热导率低。SiC的成本高、但是绝缘性能比较好,与GaN的晶格失配小(3.5%),热导率高。Si的成本低、尺寸大,但是与GaN的热失配很大。高质量的AlGaN/GaN HEMT一般采用SiC衬底,商业性应用多采用蓝宝石衬底。Si衬底的成本最低,很多机构在研究如何采用Si衬底生长高质量的GaN。目前,应用最广泛的衬底仍然是蓝宝石和SiC。
 
  GaN材料的生长主要采用外延方法,有氢化物气相外延(HVPE)、MOCVD、分子束外延(MBE)等。HVPE方法生长速度最快,但生成的材料质量一般;MOCVD,有较快的生长速率,生长的薄膜质量较高,成本适中;MBE生长的质量最好,但生长速率低、成本昂贵。一般是采用MOCVD方法外延生成GaN薄膜。
 
  2. AlGaN/GaN HEMT的异质结
  GaN HEMT的关键在于AlGaN/GaN异质结中形成的二维电子气(2DEG)-三维中,在一个方向上受到束缚而其他两个方向上可以自由移动。HEMT的性能高低的最重要因素就是2DEG的密度,GaN材料形成的2DEG的密度是其他材料像GaAs的好几倍。在AlGaN/GaN异质结中,AlGaN是宽带隙材料,GaN是窄带隙材料,两者形成的异质结中,2DEG位于异质结界面的GaN一侧。GaN异质结中2DEG的形成不但由于两种不同带隙的材料的电子在窄带一侧积累,而且最重要的因素在于GaN材料的极化效应,在异质结界面束缚了大量的电子,从而形成高浓度的2DEG,这是GaN材料相对于其他材料的最突出的优点。
 
  3. AlGaN/GaN HEMT的肖特基接触
  AlGaN/GaN HEMT的栅极采用肖特基接触,即金属和半导体接触形成电流调制作用的势垒。肖特基接触栅的质量是HEMT特性的重要因素之一,栅漏电是低频噪声的主要来源,栅反向击穿电压决定着器件的工作电压和功率容限。为了降低肖特基栅极的漏电流和提高栅极反向击穿电压,需要在AlGaN/GaN异质结上制作高质量的肖特基接触。好的肖特基接触有以下几个特点:低泄露电流、低电阻率和好的黏附性。不同金属与AlGaN接触形成的肖特基势垒高度是不一样的,Ni/Au是最常用于AlGaN/GaN HEMTs制造的肖特基接触金属。虽然Ni/Au得黏附性要好于Pt栅,但是栅漏电流仍然需要提高。大功率FET中常采用多栅指结构,栅金属的电阻成为限制输出功率增益和最高振荡频率的关键参数之一,因此设计高功率FET器件需要低电阻率金属。
 
  4. AlGaN/GaN HEMT的欧姆接触
  源极和漏极的接触要求尽可能降低接触电阻,金属与半导体接触时可以形成非整流接触,即欧姆接触。源极和漏极的接触要采用欧姆接触,欧姆接触要求不产生明显的附加阻抗,而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。从宏观上讲,理想的欧姆接触的接触电阻与半导体器件相比很小,当有电流流过时,欧姆接触上的电压降要远小于器件本身的压降,这种接触不影响器件的伏安特性。半导体器件一般都是使用金属作电极输入或输出电流,这就要求在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触,特别是超高频和大功率器件中,欧姆接触是设计和制造中的关键问题之一。形成良好的欧姆接触在于金属的选择,很多金属已经被研究用于欧姆接触。M.E.等人最早发现Al与N型GaN可以形成自然欧姆接触,但是接触电阻太大(1×10-4/cm²量级)。采用Ti/Al接触,900℃退火30s后,获得很低的欧姆接触电阻9×10-6/cm²,其物理机制是:Ti与GaN接触可以形成半金属TiN,同时表面GaN层由于失去N原子而形成大量施主型的N空位,GaN表面的n+层和导电的TiN合金形成隧穿接触。Fan等人报道了更低的欧姆接触电阻9×10-8/cm²。他们采用多层金属欧姆接触Ti/Al/Ni/Au,然后在900℃退火30s。Au层有更好的导电性,同时Au层可以防止AlDE氧化。采用Ni主要用于降低Au/Al之间的黏附,Ti/Al的采用可以提高欧姆接触的形貌。目前,金属淀积常采用的工艺有电子束蒸发和磁控溅射等,常用的欧姆接触金属主要有:Ti/Al/Ni/Au,Ti/Al/Pt/Au和Ti/Al/Ti/Au等。
 

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