HEMT的研究进展综述.doc

HEMT的研究进展综述1.简介HEMT（High Electron Mobility Transistor），高电子迁移率晶体管是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管 (SDHT)等。这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。从本质上来说，HEMT 器件是一种场效应器件，漏源间流过的电流受到栅极的调制，栅与半导体形成肖特基接触。根据半导体物理特性，异质结接触的两种半导体由于禁带宽度的不同，电子会从宽禁带的半导体流向窄禁带的半导体中，从而在半导体界面的窄禁带半导体一侧形成量子阱。当宽禁带半导体的掺杂浓度较高，异质结间的导带差较大时，会形成很高的势垒，限制量子阱中的自由电子在垂直异质结接触面方向的移动，故称这个量子阱为二维电子气（2 Dimensional Electron Gas）。2-DEG 就是 HEMT 中的沟道，由于沟道所在的窄禁带半导体通常是不掺杂的，沟道中的自由移动电子远离掺杂的宽禁带半导体中的杂质的库伦散射，故载流子能获得很高的电子迁移率。1. HEMT以 GaAs 或者 GaN 制备的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistors）以及赝配高电子迁移率晶体管（Pseudo orphic HEMT）被普遍认为是最有发展前途的高速电子器件之一。由于此类器件所具有超高速、低功耗、低噪声的特点(尤其在低温下)，极大地满足超高速计算机及信号处理、卫星通信等用途上的特殊需求，故而 HEMT 器件受到广泛的重视。作为新一代微波及毫米波器件,HEMT 器件无论是在频率、增益还是在效率方面都表现出无与伦比的优势. 经过 10 多年的发展,HEMT 已经具备了优异的微波、毫米波特性,已成为 2100 GHz 的卫星通信、射电天文、电子战等领域中的微波毫米波低噪声放大器的主要器件。同时他也是用来制作微波混频器、振荡器和宽带行波放大器的核心部件2.1 GaAs体系HEMT1978年R.Dingle首次在MBE（分子束外延）生长的调制掺杂GaAs/AlGaAs超晶格中观察到了相当高的电子迁移率。1980年日本富士通公司的三村研制出了HEMT，上世纪80年代HEMT成功的应用于微波低噪声放大，并在高速数字IC方面取得了明显得进展。AlGaAs/GaAs HEMT的基本结构如图1所示:图 1 GaAs HEMT基本结构 制作工序：在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层（约0.5m） 高纯GaAs层（约60nm） n型AlGaAs层（约60nm） n型GaAs层（厚约50nm） 台面腐蚀隔离有源区制作Au/Ge合金的源、漏欧姆接触电极干法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层淀积Ti/Pt/Au栅电极。 HEMT是通过栅极下面的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs异质结中的2DEG的浓度实现控制电流的。栅电压可以改变三角形势阱的深度和宽度，从而可以改变2DEG的浓度，所以能控制HEMT的漏极电流。由于2DEG与处在AlGaAs层中的杂质中心在空间上是分离的，则不受电离杂质散射的影响，所以迁移率很高。 图2 GaAs HEMT中2-DEG在低温下HEMT的特性将发生退化，主要是由于n-AlGaAs层存在一种所谓DX中心的陷阱，它能俘获和放出电子，使得2-DEG浓度随温度而改变，导致阈值电压不稳定。实验表明：对掺硅的AlxGa1xAs，当x0.2基本不产生DX中心，反之则会出现高浓度的DX中心。对于HEMT中的nAlGaAs层，为了得到较高的能带突变通常取x=0.3，必然会有DX中心的影响。为了解决这个问题，1985年Maselink采用非掺杂的InGaAs代替非掺杂的GaAs作为2DEG的沟道材料制成了赝高电子迁移率晶体管（PHEMT）。PHEMT较之常规HEMT有以下优点：(1)InGaAs层二维电子气的电子迁移率和饱和速度皆高于GaAs，前者电子饱和漂移速度达到了7.41017cm2V-1S-1，后者为4.41017cm2V-1S-1，因此工作频率更高。(2)InGaAs禁带宽度小于GaAs，因此增加了导带不连续性。300K时GaAs禁带宽度为1.424eV，InGaAs为0.75eV。(3)InGaAs禁带宽度低于两侧AlGaAs和GaAs材料的禁带宽度，从而形成了量子阱，比常规HEMT对电子又多加了一个限制，有利于降低输出电导，提高功率转换效率。对InGaAs两侧调制掺杂，形成双调制掺杂PHEMT，双调制掺杂PHEMT的薄层载流子浓度是常规PHEMT的二倍，因此有非常高的电流处理能力。对于1m栅长的器件，在300K和77K下已分别达到430mA/mm和483mA/mm的水平。HEMT是电压控制器件，栅极电压Vg可控制异质结势阱的深度，则可控制势阱中2-DEG的面密度，从而控制着器件的工作电流。对于GaAs体系的HEMT，通常其中的n-AlxGa1-xAs控制层应该是耗尽的 (厚度一般为数百nm, 掺杂浓度为107108 /cm3)。若n-AlxGa1-xAs层厚度较大、掺杂浓度又高，则在Vg =0 时就存在有2-DEG, 为耗尽型器件，反之则为增强型器件( Vg=0时Schottky耗尽层即延伸到i-GaAs层内部)；但该层如果厚度过大、掺杂浓度过高, 则工作时就不能耗尽, 而且还将出现与S-D并联的漏电电阻。总之，对于HEMT，主要是要控制好宽禁带半导体层控制层的掺杂浓度和厚度，特别是厚度。1.2 GaN体系HEMTAlGaN/GaN HEMT基本层结构见图3。基本层结构由缓冲层、GaN沟道层、本征AIG-aN隔离层和掺杂AlGaN层组成。为提高器件的击穿特性，降低栅漏电流，还可在掺杂层上再生长帽层，可由非掺杂的GaN或AlGaN组成。AlGaN掺杂层A1组分一般为015至03，掺杂浓度范围一般为1018至21019cm-3。某些实验用器件只有一层非掺杂AlGaN层，在这种不掺杂结构中，2DEG仅由极化诱生。图3 GaN HEMT 基本结构AlGaNGaN HEMT器件由于具有禁带宽度大(3.46.2eV)、电子饱和速度高(2.8x107 cms)和击穿场强大(5MVem)等优点，非常适合于高频、大功率与高温应用。然而A1GaNGaN表面缺陷和有限的势垒高度所导致的栅泄露电流进一步限制了AIGaNGaN HEMT器件的高频、大功率与高温可靠性。为解决这一问题，可以使用金属-绝缘层.半导体(MIS)或金属-氧化物半导体(MOS)结构来抑制栅泄露电流，然而这些绝缘栅器件与传统的A1GaNGaN HEMT器件相比在饱和电流、跨导和开启电压方面无任何优势。近来，使用SiO2， Si3N4，A1203刚和其他介质作为栅绝缘层的金属-绝缘层半导体高电子迁移率晶体管(MISI-mMT)或金属-氧化物半导体高电子迁移率晶体管(MOSHEMT)取得了很大进展。一个完整的A1GaNGaNHEMT的制造通常只需以下三步工艺即可：台面隔离刻蚀、源漏欧姆接触和肖特基栅接触。通过合金工艺形成源、漏欧姆接触，一般组成为钛铝钛/金(TiAl/TiAu)结构。早期GaN HEMT受到几欧姆毫米的接触电阻的影响，现在器件的欧姆接触标准为0.5mm或更小。栅金属层一般由NiAu组成，成矩形或伞型。大多数实验用晶体管栅极在帽层之上，也有凹栅结构。GaN HEMT设计规则与传统的RF FET相同：栅长L在深亚微米范围；栅长与栅一沟道距离的比值为3或更大，由掺杂层厚度决定；栅宽W由所要达到的输出功率确定，其范围由几十微米到几毫米。栅宽较大的器件，一般用插指栅结构。HEMT是通过栅极下面的肖特基(Schottky)势垒来控制AlGaNGaN异质结中的2DEG的浓度而实现对电流的控制。栅极下面的以型A1GaN层，由于Schottky势垒的作用和电子向未掺杂GaN层转移，将全部耗尽。转移到未掺杂GaN层去的电子即在异质结界面处三角形势阱中形成2DEG；这些2DEG与处在AlGaN层中的杂质中心在空问上是分离的，不受电离杂质的影响，从而迁移率很高。HEMT的关键是掺杂层和沟道层问的异质结。传统的GaAs或InP基HEMT，掺杂层是n型掺杂，施主是2DEG的主要来源。异质结处存在导带差，驱使电子从掺杂层进入到沟道层，并将电子限制在沟道层内距异质结处几纳米范围内，形成2DEG。高2DEG而密度是HEMT设计的目标。在GaN基HEMT中，除去导带差异因素外，AIGaN和GaN的极化效应也能生成2DEG。2DEG中的电子有三个主要来源：(1)从掺杂AIGaN层转移的电子；(2)GaN沟道层巾杂质的贡献；(3)由极化效应诱生的上述来源的电子。AIGaNGaN界面处2DEG的面电子密度既取决于导带不连续程度和异质结构的人为掺杂，又受到压电和自发极化效应的影响。器件制造的工艺流程是：首先制造源、漏电极。光刻欧姆接触窗口，利用电子束蒸发形成多层电极结构TiA1，TiAu(2001200400200h)，剥离工艺形成源、漏接触。使用快速热退火(RTA)设备，在900、30 Sec氩气保护条件下形成良好的源、漏欧姆接触。然后光刻出需刻蚀掉的区域，使用反应离子束刻蚀(RIE)设备，通入BCl，刻蚀台阶。最后再次利用光刻、