GaN基微波半导体器件研究进展

1、收稿日期:2003205215基金项目:国家重大基础研究(973 项目和国家部委预研资助项目(41308060106作者简介:杨燕(19792 , 女, 西安电子科技大学硕士研究生.G aN 基微波半导体器件研究进展杨燕, 郝跃, 张进城, 李培咸(西安电子科技大学微电子研究所, 陕西西安710071摘要:G aN 基微波器件以其优良的特性而在微波大功率方面具有应用潜力. 对G aN 半导体材料作了比较和讨论, 说明了G aN 材料在微波大功率应用方面的优势, 并阐述了新型G aN 基微波器件的最新进展,通过与其他微波器件的比较表明了G aN 势.关键词:G aN ; 微波大功率; 调制掺杂场

2、效应晶体管中图分类号:TN304文献标识码:A文章编号( 03R esearch of microw ave devicesYan , H AO Yue , ZH ANG Jin 2cheng , LI Pei 2xianInst. of Microelectronics , X idian Univ. , X i an 710071, China Abstract :G aN 2based microwave devices possess potential in microwave and high power applications , and relatedresearches h

3、ave been a hotspot in the current compound semiconductor area. A comparis on and discussion of G aN sshow its great advantages in microwave and high power application. The newest development of several G aN 2basedmicrowave devices is als o introduced. The advantage of G aN M odulation D oped Field E

4、 ffect T ransistors (M ODFETs inmicrowave and high power applications is compared with that of other microwave devices finally.K ey Words :G aN ;microwave and high power ;m odulation doped field effect transistors宽禁带半导体材料氮化镓(G aN 以其良好的物理化学和电学性能成为继第一代元素半导体硅(Si 和第二代化合物半导体砷化镓(G aAs 、磷化镓(G aP 、磷化铟(InP 等

5、之后迅速发展起来的第三代半导体材料. 与目前绝大多数的半导体材料相比,G aN 具有独特的优势:禁带更宽、饱和漂移速度更大、临界击穿电场和热导率更高, 使其成为最令人瞩目的新型半导体材料之一. 目前,G aN 基发光器件的研究已取得了很大进展13, 在国外工作于绿光到紫光可见光区内的G aN LE D 早已实现了商业化2; 国内多家单位成功制作了蓝色发光二极管, 并初步实现了产业化3. 而众多的研究414表明,G aN 材料在制作耐高温的微波大功率器件方面也极具优势. 笔者从材料的角度分析了G aN 适用于微波器件制造的原因, 介绍了几种G aN 基微波器件最新研究动态, 对G aN 调制掺杂

6、场效应晶体管(M ODFETs 的工作原理以及特性进行了具体分析, 并同其他微波器件进行了比较, 展示了其在微波高功率应用方面的巨大潜力.1材料特性G aN 基微波器件所展现出的良好性能与其基础材料特性是密不可分的. 从表1可看出, 与Si , G aAs 和SiC 相比,G aN 的禁带宽度最宽、击穿电场最高、热导性也明显优于Si 和G aAs , 充分表明G aN 材料在微波大功率器件制造方面所具有的巨大的优势.2004年6月第31卷第3期西安电子科技大学学报(自然科学版JOURNA L OF XI DI AN UNI VERSITY Jun. 2004V ol. 31N o. 3表1G

7、aN 材料特性参数材料带隙能量E g /eV 击穿电场/(V cm -1 热导率/(W cm -1K -1 介电常数G aN3. 405. 01061. 509. 54H 2S iC3. 203. 51064. 0010. 0G aAs1. 434. 01050. 5412. 5S i 1. 123. 01051. 4011. 9图1300K 时G aN ,S i ,S iC 及G aAs 电子漂移速度同电场的关系图1是300K 时G aN ,Si ,SiC 以及G aAs 的电子漂移速度同电场的关系. 从图中可看出G aN 的电子饱和漂移速度明显高于其他材料, 表明G aN 非常适于制造高功

8、率、大电流器件15. 另一方面, G aN 具有较高的电子迁移率(体材料中为1000cm/(V s , 使得在制造G aN 微波器件时会产生低的寄生和通道电阻, 从而获得具有良好特性的器件. 此外, 隙半导体材料,G aN 与AlN 可形成带隙从314eV 到6. 2化的合金, 形成可掺杂、可调制的AlG aN/G aN . aN/G aN 异质结构. AlG aN/G aN 异质结和AlG aAs/G aAs , 见表2. 从表中可看出,AlG aN/G aN 异质结结构比AlG aAs/G aAs 异质结具有明显的材料优势, 更适于微波应用. 西安电子科技大学利用M OC VD 分别在蓝宝

9、石和SiC 衬底上生长出优质的AlG aN/G aN 异质结材料, 目前在蓝宝石上得到的该材料室温下2DEG 的迁移率与面电荷密度积已经达到21016/(V s .表2AlG aN/G aN 异质结与AlG aAs/G aAs 异质结关键参数的比较最大薄层电子浓度/cm -2击穿电场/(106V cm -1 二维电子迁移率/(cm 2V -1s -1 热导率/(W cm -1K -1 AlG aN/G aN1510133. 320001. 30AlG aAs/G aAs 120. 485000. 532G aN 基微波器件低的热产生率和高的击穿电场已经使G aN 成为研究和制造微波高功率器件的

10、重要半导体材料. 目前, 随着生长技术的不断发展以及薄膜生长关键技术的突破, 多种G aN 异质结构已被成功地生长出来, 包括金属半导体场效应晶体管(MESFET 、异质结场效应晶体管(HFET 、调制掺杂场效应晶体管(M ODFET 以及金属绝缘场效应晶体管(MISFET 等微波器件.211MESFETs采用宽禁带半导体G aN 制作MESFET , 具有广阔的微波功率放大的应用前景. 人们通常直接利用G aN 具有宽的禁带及简单的制造工艺优势, 采用传统的MESFETs 基本理论制造G aN MESFETs.1993年,K han 等人16采用低压M OC VD 方法在蓝宝石衬底上首次制造

11、了G aN MESFET. 他们采用薄的AlN 层作为缓冲层以提高G aN 膜的质量, 用T i/Au 作为源漏欧姆接触, 银作为栅肖特基, 分别用H +离子注入和离子束腐蚀台面, 实现器件的隔离. 最终获得的器件栅长为1m , 在-1V 栅偏压处的跨导为23mS/mm.随后,S. C. Binari 等人4报道了具有较好微波性能的G aN MESFETs. 与以往不同之处在于, 他们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G aN 外延层, 剖面结构如图2所示. 他们首先在衬底温度为450时生长40nm 厚的AlN 缓冲层, 随后在1050的温度下在缓冲层上生长了一个3m

12、 厚的无掺杂高电阻G aN 层. 图3是S. C. Binari 等人所制造的0. 7m 栅长器件的电流增益h 21和单边增益U 随频863西安电子科技大学学报(自然科学版 第31 卷率的变化曲线. 从图中可看出, 其截止频率f T 和最大振荡频率f max 为8GH z 和17GH z. 1997年,S. C. Binari 等人5又研制了新型的G aN MESFETs , 其源漏间距为5m , 栅宽为150m , 栅长为017210m. 当栅长为115m 时,MESFET 的最大跨导g m 为20mS/mm , 最大漏电流I DSI 为120mA/ mm. 当漏电流为1mA/mm 时漏偏压

13、为75V ,S. C. Binari 预测其微波输出功率将大于1W/mm. 另外,S. C. Binari 等人还预测随着设计和工艺技术的提高,G aN MESFETs 的f T 将达到2040GH z.图2图3017m 擅长器件的电流增益h 21和单边增益U从目前来看, 相对于其他G aN 基器件,G aN MESFETs 生长和制造工艺相对较为简单. 但对于MESFET 而言, 获得较高的跨导需要一个高掺杂的沟道, 而肖特基结的形成通常要求沟道轻掺杂. 折中的结果最终导致沟道较厚、沟道杂质浓度较低, 因此与G aAs MESFETs 所获得的跨导值(一般为200mS/mm 相比, G aN

14、 MESFETs 的跨导值(最大为23mS/mm 相对较低. 此外, 体G aN 沟道中的低电子迁移率往往导致高的级联电阻, 使得G aN MESFETs 的射频性能受到限制6, 不能完全发挥它的优势.212HFETs自1992年K han 等人首次对Al x G a 1-x N/G aN 异质结界面的电子迁移率进行了实验研究, 指出Al x G a 1-x N/G aN 异质结处的电子迁移率可以达到极高的值之后, 众多的研究7,8先后都表明Al x G a 1-x N/G aN 结构界面处可以产生二维电子气(2DEG , 具有很高的电子迁移率, 电子密度也相应比较高. 此外,Al x G a

15、 1-x N/G aN 界面上的肖特基势垒也比G aN 形成的肖特基势垒要高, 这都为有效地产生微波功率提供了重要的材料基础.目前,G aN HFETs ,M ODFETs 以及MISFETs 等新型微波功率器件都是以Al x G a 1-x N/G aN 异质材料为基础, 利用异质界面上形成的2DEG 8的优良传输特性来满足微波大功率要求的. 图4即是用于HFET 的AlG aN/G aN 异质结构, 包括一个厚的G aN 层, 一个轻掺杂的G aN 层以及淀积在轻掺杂G aN 层上的AlG aN 层. 相对于直接利用G aN 制造的器件来说, 在图4结构基础上制造的器件具有更大的潜力, 这

16、主要是Al x G a 1-x N/G aN 异质结界面上可形成二维电子气, 使得迁移率得到进一步增强. 同时还可以采用在介质层上插入一个未掺杂的AlG aN 空间层和调制掺杂的方法来提高2DEG 结构中的传输特性, 使得G aN 基HFET ,M ODFET 的器件性能明显优于G aAs 基结构.21211AlG aN/G aN HFETsAlG aN/G aN HFETs 异质结场效应晶体管, 是直接以AlG aN/G aN 异质结材料为基础而制造的G aN 基器件. 众多的研究611表明了其在微波大功率应用方面具有巨大优势:1994年, K han 等人9在大约1101105Pa 的压力

17、下以三乙基铝、三乙基镓和氨气(NH 3 作为氮源, 在低压M OC VD 反应器中生长出了AlG aN/G aN 异质结, 并采用T i/Au 和T i/W 作为源2漏和栅接触, 制造出了AlG aN/G aN HFET , 其结构图参见图5. 当栅长为0125m 时, 其截止频率f T 和最大振荡频率f max 分别为11GH z 和35GH z , 与G aN MESFET 相比, 性能有了很大的提高. 1998年,Thibeault 等人制造出了截止频率f T 为4GH z , 输出功率为114W 的G aN HFET;Siram 等人则制造出了f T 为10GH z , 输出功率为01

18、85W 的G aN HFET; Sulliv om 等人10制造出的HFET 的f T 为10GH z , 输出功率为313W. 需要说明的是, 这些G aN HFET 都是在蓝宝石衬底上制造的. 一方面, 由于蓝宝石963第3期杨燕等:G aN 基微波半导体器件研究进展的热导性比较差, 容易导致高的结温度并降低大功率晶体管的效率; 另一方面, 蓝宝石与G aN 的晶格失配比较大, 导致在加速生长冷却后存在显著的应力. 这两种原因都使得难以在蓝宝石衬底上生长出质量较好的G aN 外延层. 因此为了提高微波功率, 必须寻找更为合适的材料作为衬底以突破这些限制. SiC 材料相对于蓝宝石而言具有高

19、的热导率, 并同G aN 具有较小的晶格失配, 因此可以考虑用SiC 材料代替蓝宝石作为衬底. 1998年,Shepperd 等人成功地在SiC 衬底上制成了AlG aN/G aN HFETs , 其截止频率f T 为10GH z , 功率密度为618W/mm , 比蓝宝石HFETs 性能更好. 1999年,Q. Chen 等人6在n 型和p 型SiC 衬底上制成了AlG aN/G aN HFETs , 器件性能非常理想. 对于n 型SiC 衬底的器件, 他们使用415m 的栅宽, 采用He 离子注入的方式进行隔离; 对于p 型SiC 衬底的材料, 他们使用100m 的栅宽, 采用RIE 刻蚀

20、和离子注入两种方法进行隔离. 器件中欧姆接触采用T i/Al 金属结构, 栅肖特基接触采用Ni/Au 双层结构. 最终获得的功率密度为6. 4W/mm , 在8V 偏压和014A/mm 电流密度下的截止频率f T 和最大振荡频率f max 分别为53GH z z.图4AlG aN/G aN 结构图图5AlG aN/G aN HFET 结构图除了使用SiC 和蓝宝石之外, 现在人们也尝试着在G aN HFET 的制造中采用G aN 作为衬底11, 初步获得了较好的微波性能.图6M ODFET 层结构21212M ODFETs调制掺杂场效应管是在HEFT 结构的基础上, 通过使用一个掺杂的AlG

21、aN 层一个未掺杂的G aN层来调制掺杂以提高二维电子气传输特性的器件结构. 近年来, 已经成为最受人们关注的新型G aN微波器件之一, 而这方面的研究也取得了较大的进展12,13. 1996年,Jinw ook Burm 等人13采用OMPVE技术在(0001 蓝宝石衬底上制造出了性能非常好的M ODFET 结构, 包括空间层、隔离电荷提供层以及薄沟道, 见图6. 其在24V 的漏源偏置电压下的截止频率f T 和最高振荡频率f max 分别可以达到2114GH z 和7715GH z , 充分显示出G aN M ODFET 在微波大功率应用方面的强大优势.图7给出了当频率在120GH z 间

22、时, G aNM ODFETs 与其他一些微波器件功率密度的比较. 从图中可看出, G aN M ODFETs 在频率为10GH z 和18GH z 处的射频功率密度分别为618W/mm 和3. 3W/mm , 而SiC MESFET 的CW 和脉冲射频功率密度仅为1103. 3W/mm , 都比同一频率下的G aN M ODFETs 所报道的最高值低. 此外, 从图中还可以看出, 在频率大于10GH z 的情况下, G aN M ODFETs 比SiC MESFETs 在微波应用方面更具有优势, 这主要归于调制掺杂以及随之增加的输运特性的原因.073西安电子科技大学学报(自然科学版 第31卷

23、 图7G aN M ODFETs 与其他RF 技术的功率密度的比较图8G M 图8是G aN M ODFETs 为Si 浅漏金属氧化物半导体场效应晶体管(连续波 , 为SiC , SiC 金属半导体场效应晶体管(连续波 , 为SiC 金属半导体场效晶体管( (连续波 , 为P 2G aAs 高电子迁移率晶体管(连续波, (连续波 , 为G aAs 金属半导体场效应晶体管(连续波 . 从图M 总的输出功率相对较低. 低频情况下(1. 0GH z , 输出功率为100W 到1000W 和Si 基LDM OS 占有极大的优势. 当频率为310GH z 时,SiC MESFETs 在输入为连续波时射频

24、输出功率超过6W , 但G aN M ODFET 最高输出功率在1010GH z 处仅为410W. 之所以出现这种情况, 主要是由于G aN M ODFETs 微波功率技术目前还不够成熟. 但总的来说, G aN M ODFET 还是显示出其在8121214GH z 的频率范围内具有极大的优势. 相信随着G aN 微波功率技术的不断提高, 会制造出微波性能越来越好的G aN M ODFET 微波器件.213金属绝缘物场效应晶体管在某些应用中, 人们需要获得非常低的栅泄漏电流, 而采用绝缘体栅代替肖特基栅, 并在HFET 结构中采用一个掺杂的G aN 层一个未掺杂的AlG aN 层就可以满足这一

25、要求, 即形成金属绝缘物场效应晶体管结构. Binari 等人14成功地在G aN 上直接制造出了MISFETs , 获得的跨导为16mS/mm. 之后,Q. Chen 等人6则在AlG aN/G aN 异质结上成功地制造出MISFETs. 其具体的结构包括:生长在蓝宝石衬底上的半绝缘G aN 层, 厚度为1m ;50nm 的n 型G aN 层和3nm 的Al 0. 2G a 0. 8N 未掺杂空间层以及30nm 的掺杂Al 0. 2G a 0. 8N 层. 工艺过程中使用T i/Al 金属结构作为欧姆接触, SiO 2作为栅绝缘物. 当电压在-6V 和+6V 之间时, 最大跨导为86mS/m

26、m , 充分显示出了其高功率应用的优势, 但截止频率f T 和最大振荡频率f max 仅为219GH z 和7. 1GH z , 这可能是由于栅和漏源间的重叠形成一个大的负反馈电容, 因此减小了射频增益, 限制了f T 和f max . 3G aN 基微波器件关键工艺的研究进展制造高性能G aN 微波器件不仅与材料质量有很大关系, 而且也与器件制备工艺紧密相关. 因此, 了解当前G aN 微波器件的工艺研究进展是非常必要的.311欧姆接触低的欧姆接触电阻是制作高性能微波器件的关键. 相对较窄带隙的Si , G aAs 和InP 等材料而言, 在G aN 上制备低的欧姆接触电阻较为困难. 这是因

27、为G aN 有较宽的带隙, 在金属和半导体界面接触处的接触势垒较高, 从而导致大的欧姆接触电阻. 为了降低欧姆接触电阻, 目前采用淀积多层金属的方法在界面处形成低势垒的多元合金或高的掺杂浓度.合金欧姆接触这种方法主要是通过真空和电子束蒸发Al ,Au 或T i/Ag 而在G aN 上形成低的欧姆接触的. Wu 等人采用两步淀积T i 薄膜及热退火工艺技术对较低掺杂浓度的G aN 获得的比接触电阻为51010-65. 510-6cm 2, 对较高掺杂浓度的G aN 获得的比接触电阻为31010-64. 110-6cm 2. 173第3期杨燕等:G aN 基微波半导体器件研究进展372 西安电子科

28、技大学学报 ( 自然科学版 31 卷 第 Fan 等人首先以 Cl2 和 BCl3 为刻蚀剂对在蓝宝石衬底上生长的 GaN 进行反应离子刻蚀 , 形成适合于电阻测 4 结 论 量的台阶结构 . 其后 , 在蒸发室中淀积 Ti/ Al/ Ni/ Au 形成多层欧姆接触薄膜 . 对掺杂浓度为 2 17 cm - 3 和 10 4 17 cm - 3的 n 型 GaN ,获得的比接触电阻分别为1119 - 7 2和819 - 8 2 ,较为理想 17 ,18 . 10 10 10 cm cm 非合金欧姆接触 这种方法主要采用 GaN/ InN 短周期超晶格和 InN 作为顶层的方法来获得低欧姆 接触

29、 . Lin 等人在 InN 顶层和 GaN 间生长了一层短周期超晶格 , 并在 InN 顶层淀积 20 nm的 Ti 和100 nm 的 Al 之后 ,没有进行退火获得的比接触电阻为610 - 5 2 . 10 cm 312 退火技术 合理的退火条件能够降低金属/ GaN 欧姆接触电阻 , 改善材料特性 , 抑制位错向表面延伸 , 提高薄膜质 量 ,有效地转移离子注入所导致的各种缺陷 . M. W. Cole 等人对后生长快速高温热退火情况下退火温度对 GaN 薄膜晶体质量的影响进行了研究 . 退 火在氮气中进行 ,时间1 min ,温度 600800 ,结果表明 ,一定退火温度下 , Ga

30、N 薄膜表面缺陷数量比衬底和 缓冲层界面处要低 30 %25 %. 退火温度越高 ,延伸到表面的位错也越少 . 由此可见较高温度的退火在一定 程度上能够抑制位错向表面的延伸 1 ,19 . 313 刻蚀技术 刻蚀是 GaN 微波器件制造过程中一个很重要的工艺 . 但由于 GaN 有极高的化学稳定性 , 室温下酸和碱 对它们的腐蚀速率极低 ,仅为每分钟几纳米 ,因此目前的研究主要集中在干法刻蚀上 . 干法刻蚀主要包括反 应离子刻蚀 ,电子回旋共振等离子体 ,化学辅助离子束刻蚀和磁控离子刻蚀等方法 . Vassile 等人采用等离子体刻蚀技术 , 刻蚀气体为 CCl2 F2 对 GaN 进行刻蚀

31、, 获得的刻蚀速率大约为 411 nm/ s ; 他们还采用反应离子刻蚀技术 ,刻蚀气体为 CCl4 和 N2 的混合气体对 GaN 进行刻蚀 ,获得的刻蚀速 参考文献 : 1 2 3 78. 4 5 6 1 249. 7 率大约为0133 nm/ s15 . Mclane 等人 20 采用磁控离子刻蚀技术 ,刻蚀气体为 BCl3 对 GaN 进行刻蚀 . 当反应室 压力为015 Pa ,阴极功率密度为0. 4 W/ cm2时 ,获得了目前最高的刻蚀速率 ,大约为518 nm/ s. 另外 ,由于光诱导刻蚀不仅能克服干法刻蚀中高能粒子轰击对半导体表面造成的损伤 ,而且仅发生在激 光束照射区域

32、,可实现选择性刻蚀 ,因此光诱导刻蚀已成为一种极具潜力的刻蚀技术 . 段 1 碳化硅衬底上氮化镓薄膜材料及其发光器件特性研究 D 1 西安 : 西安电子科技大学 , 2003. 猛 Science and Engineering B , 1999 , 59 (2 : 3952400. J . Journal of Electronic Materials , 1996 , 25(5 : 7772785. (10 : 1 54921 554. 随着材料和器件工艺技术的不断提高和发展 , GaN 基微波器件的性能已有了很大的提高 . 但由于器件特 性依靠 2DEG 的性能 ( 极化和压电效应对其影

33、响较大 , 加之衬底晶格的不匹配以及材料生长和器件制备工 艺不够成熟 ,器件性能的进一步提高以及稳定和重复性将成为研究焦点 . 由于 GaN 具有重要器件特性和巨 大需求潜力 ,其微波器件的发展已成为国内外化合物半导体研究的热点 . 相信随着材料质量及器件制备工艺 日趋成熟 ,会有更多性能更理想的 GaN 基微波器件被研制出来 ,并应用于更广阔的领域 . Binari S C , Kruppa W , Dietrich H B , et al. Fabrication and Characterization of GaN FETs J . Solid State Electronics ,

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