第五章射频化合物半导体技术

射频III-V族化合物

半导体技术2003.10 成都内容限定化合物：元素半导体……（Ga,Te,Se,Ge,Si…..)III-V族：SiGe、SiC、II-VI族半导体……射频（RF）：光、热、敏感、低频……实用性成熟：低维结构（量子点、量子线、量 子谐振隧穿……）ABCS（锑化物基半导体）内容 III-V化合物半导体特性的吸引力与发展历程 微波应用对半导体特性潜力的挖掘 器件设计：“掺杂工程”——“能带工程” 材料制造技术：基础材料——“功能材料” III-V宽禁带高温半导体技术 III-V化合物微波单片集成电路技术 结论III-V化合物半导体的特性优势与发展历程III-V化合物半导体的主要吸引力材料的多元性（二元、三元及多元）：大大地提高器件设计的灵活性与性能优化的潜力更高品质的载流子输运特性：满足高频、高速器件的基本要求直接能隙半导体：光电子发射高频、高速、微波、光电应用电路的一体化：对全功能性材料的追求——单片化多功能集成电路技术

III-V化合物半导体发展历程化合物半导体的历史与元素半导体同样悠久发展遇到的最大困难是材料生长的困难化合物材料技术的发展（晶片直径、外延技术）直接推动新原理器件的诞生与应用

中国的III-V化合物半导体技术发展始于1960年代前期GaAs、InP单晶体生长的难点

合成与生长：熔点温度下高挥发（As、P） ——高蒸汽压、纯化学配比 高温生长——坩堝沾污

高温高压——不完整性：缺陷、位错

GaAs（InP）单晶拉制工艺：LEC、VB、VGF

机械强度——晶片加工与器件制造工艺困难III-V半导体材料技术的发展直接推动

器件与应用的进程：例外延技术（MBE、MOCVD）的发展直接推动化合物新型器件 的发展：

HBT——

1948Schokley提出不同半导体材料形成异质结双极晶体管的原理 1957Kroemer提出完整的HBT设计理论 1977Konnzai等制造出第一个真正的GaAs/AlGaAsHBT

HEMT—— 1978Dingle用MBE生长出能产生2DEG的异质结构 1980Mimura等制造出第一个AlGaAs/GaAsHEMT材料合成与单晶拉制的困难制约着化合物器件与集成技术的发展：1967GaAsMESFET（单晶拉制技术的完善：1965LEC）1976GaAsMMIC（1-2英吋直径单晶拉制及晶片加工：1970s初）III-V化合物半导体技术发展里程碑晶体合成与单晶拉制：GaAs：1956；InP：1968器件研究：GaAsGUNN1963三极管：GaAsMESFET1970异质结三极管：GaAs：HBT1977；HEMT1980；PHEMT1985 InP：HEMT1987单片集成电路（MMIC）：GaAs

1976；InP

1990宽禁带半导体三极管器件：GaNHEMT1993

宽禁带MMIC：GaNHEMTMMIC2000我国III-V化合物半导体技术的历程

GaAs单晶拉制：1961（1959）

GaAsGUNN二极管研制：1964（1963）

GaAsMESFET研制：1975（1970）

GaAsMESFETMMIC研制：1980（1976）

GaAs基HEMT研制：1984（1980）GaAs材料合成试验：1959（1956）

GaNHEMT研制：1999（1993） RF与微波器件的工作机理推动对III-V半导体特性的深入挖掘利用射频应用对半导体特性、效应的

深入挖掘 传统（二极管、三极管）器件特性的充分利用：

I-V特性的利用：线性、非线性、大动态范围

结电容特性的利用：线性、非线性

沟道电导调制效应的利用电子在高场下的漂移特性： 迁移率的非线性、电子饱和速度高能电子在强场下的特殊行为： 碰撞引起载流子倍增与雪崩倍增 导带子能谷之间的电子谷间转移微波半导体器件特性的非线性利用I-V特性的非线性区效应： 产生信号频率的谐波、分谐波成分—— 变频、倍频、分频

Schottky二极管、检波二极管、混频二极管、 隧道二极管结电容的压控特性： 改变谐振回路频率及Q值——宽带信号源

变容二极管、阶跃二极管沟道电导的非线性调制： 用于RF信号的衰减、限幅

PIN二极管、限幅二极管

电场下载流子行为：漂移与饱和电子极限速度：饱和速度vs微波器件性能：低场迁移率n与高场饱和速度vs的

综合效应MESFET、HEMT、PHEMT、HFET、MHEMT、HBT 高场下的电子运动：微波三极管中的尺寸效应—— 亚微米栅（FET）、超薄基区（BT）III-V族化合物半导体的速场特性化合物半导体——导带双能谷：有效质量不同“快”态电子、“慢”态电子高电场下跃迁：

快电子慢电子负微分迁移率（电子）高电场下电子进入远离导带底的高能态—— 传统的导带底部低能态近似不再适用化合物半导体器件内的高场效应：

雪崩与体效应（GUNN效应）高能电子高速漂移运动引起的载流子碰撞、雪崩

IMPATT（雪崩二极管）高能电子在化合物半导体（GaAs、InP）导带子能谷间 转移

“快”电子——“慢”电子引起半导体内的偶极子疇：

正效应：GUNN效应与器件 副效应：干扰某些器件正常工作状态

GUNN二极管（体效应二极管）充分挖掘半导体内载流子的各种特性：众多的微波器件家族半导体异质结构的实现开创了

“能带工程”器件设计原理时代FETs：化合物vsSi

GaAs类FET特点：缺乏类SiO2稳定氧化物 空穴迁移率远低于电子SiIII-V化合物结P/NSchottkybarrierP/N载流子电子，空穴电子器件结构MOSMES，MIS器件内部电场较弱较强互补电路CMOSE/D器件需采用不同工作原理——GaAs（InP）基金属半导体场效应晶体管（MESFETs）化合物器件：从MOSFET到MESFET化合物半导体缺乏具有良好加工性能的氧化物钝化层 必须采用非MOSFET型器件MOS结构MES结构（金属半导体接触势垒） 化合物半导体（GaAs、InP）较大的Eg优异的 Schottky势垒特性类MOSFET的MESFET： 栅下MOS电容电位控制栅下沟道厚度的耗尽控制异质结器件的崛起：化合物半导体同质结FET及BJT原理的突破同质材料结构异质材料结构： 器件原理与特性的飞跃异质结构器件设计优化： 传统的扩散、注入、合金、氧化：掺杂工程 异质层结构的设计优化及外延：能带工程实例1：高电子迁移率晶体管（HEMT）双平面掺杂PHEMT层结构示意2DEG层膺配HEMT剖面示意HEMT工作原理n-AlGaAsi-GaAsHEMT的原理特点AlGaAs/GaAs异质结的导带不连续性：GaAs一侧形成量子势阱，掺杂层内电子转移到阱内形成高面密度的二维电子气（2DEG）掺杂层与2DEG层的空间分离，降低杂质离子的库仑散射：提高2DEG的迁移率解决了：器件工作区内增加载流子浓度与提高载流子迁移率的矛盾——体现微波频率下工作HEMT的优异特性实例2：HBT

npn-HBT剖面示意npn-HBT层结构示意HBT的原理特点异质EB发射结：宽能隙发射区、窄能隙基区HBT的原理特点异质EB结的能带差ΔEg增加了改变发射结注入比的手段：

max=(Ne/Pb)(vnb/vpe)exp(Eg/kt)在保持高发射结注入效率的前提下通过发射区、集电区低掺杂、基区高掺杂实现降低Rb、Ce、Cc：提高HBT的工作频率fmax解决：双极晶体管提高频率与增加增益间矛盾——体现微波频率下工作HBT的优异特性异质结构效应对化合物半导体器件的影响：MESFET类异质器件采用异质Spike掺杂改进MESFET沟道杂质分布以提高器件功率输出时的效率与线性度采用大能隙异质势垒层（AlGaAs）提高MESFET的Schottky势垒特性以改进器件频率与增益采用电子输运特性更优异的异质沟道层材料（InGaAs）以全面提高MESFET及HEMT的高频特性（频率、增益、功率、效率）采用复合异质沟道层（如GaAs/InGaAs）或多层脉冲掺杂沟道层通过同时提高载流子的输运特性及沟道载流子浓度以改善器件的频率与功率输出特性异质结构效应对化合物半导体器件的影响：HBT类异质器件采用窄能隙（GaAs、InGaAs）基区利用异质发射结效应全面改进BJT的高频特性（、fT、fmax）采用双异质结（EB发射结、CB集电结）进一步改善集电结输运特性利用异质结构的选择腐蚀性（自停止腐蚀性，如InGaP与GaAs）实现HBT工艺中结平面的精确定位（10-1nm精度）利用高钝化特性的异质生长层（如InGaP）实现HBT发射结的低界面态表面钝化保护化合物异质器件设计：能带工程异质半导体器件的设计：能带工程—— Schroedinger方程+Poisson方程 异质界面间的电子转移—— 波函数、子能级、态密度：2DEG面密度 异质半导体器件的设计参数—— 层结构、厚度、掺杂浓度 异质半导体器件设计的实现—— 密切结合异质材料生长工艺：功能材料同质半导体器件的设计：掺杂工程——Poisson方程化合物半导体材料技术进展——实现功能结构材料的完美生长异质结器件用功能材料的能力“能带工程”设计的异质结构器件： 异质层厚度——nm级及以下 异质界面——单原子层完美过渡 相邻异质层的掺杂浓度差——超过5个数量级外延生长技术的巨大突破——“功能材料”： 分子束外延（MBE） 金属有机源化学汽相外延（MOCVD、MOVPE）

二元——多元

使用功能材料大大简化异质结构器件的加工复杂性：

☆保证了异质结器件设计的可实现性

☆器件纵向尺寸（10-3m精度）□III-V族化合物半导体的禁带宽度Eg与晶格常数a关系图分子束外延（MBE）MBE生长原理及设备有机金属源化学汽相淀积（MOCVD）MOCVD系统工作原理采用改性层（Metamorphic）技术实现基本半导体材料间的异质生长目的： 克服原有衬底材料特性的缺点 避免使用昂贵衬底材料：降低成本 根据器件与IC设计要求实现衬底及外延层的综合利用 实现不匹配晶体之间的单晶层外延发展中技术： Si衬底上外延GaAs、GaN、SiC GaAs衬底上外延InP 蓝宝石衬底上外延GaN、SiC

……III-V高温半导体技术III-V高温半导体技术发展的动力对于固态大功率发射源的持续而又急迫需求

固态源优势：小体积、长寿命、高可靠、轻重量 （满足军事武器系统及民用微波发射设备的特殊要求）

固态源缺点：功率小、效率低原因：载流子输运特性、器件能承载的输入功率电平（电流、电压）、散热特性降低制造成本的要求III-V宽禁带半导体的主要优点

强场下高电子漂移速度：高频、大电流大禁带宽度：高温下保持器件的正常工作高热导率：大功率下保持较低的结温高击穿电场强度：提高器件外加电压来提高输出功率主要III-V半导体基本特性比较SiGaAsGaN4H-SiC禁带宽度（eV）1.111.433.43.2相对介电常数11.812.89.09.7击穿电场（V/cm）6E56.5E535E535E5电子饱和速度（cm/s）1E71.2E71.5E72E7迁移率（cm2/Vs）135060001000800热导率（W/cmK）1.50.461.74.9GaN高温半导体技术共同特点——宽禁带半导体材料：高温工作（ 400C）、高热导（减小重量、尺寸）GaN器件特点：异质结构——提高电子输运特性进展：固态微波大功率源：军事电子系统功率发射、 民用基站功放模块

GaN——X波段：单管>10（CW） 脉冲7W/mm，PAE62%军用现代相控 阵雷达 1.8-2.2GHz：22W（CW），17Db移动通信基站用 2GHz：108WCW移动通信基站用

基站用GaNHEMT功放模块美国CreeMicrowave频段：2GHz输出功率：22W（CW）增益：17dB频带：400MHz

2个GaN功率管

化合物半导体射频（微波）集成技术：微波单片集成电路（MMIC）III-V族化合物半导体适于

MMIC应用的性能因素GaAs类化合物半导体中载流子更优异的输运特性：器件及IC的工作频率可进入微波毫米波频段GaAs类化合物半导体体材料的半绝缘特性：可作为较理想的微波电路基板材料GaAs类化合物半导体材料的优良的IC加工性能：可以解决微波频段IC（MMIC）的制造难题GaAs与Si基本特性的比较特性GaAsSi半绝缘性是否衬底电阻（Ohm-cm）10E7-10E910E2-10E3介电常数12.911.7电子迁移率（cm2/V·s）6000-8000700饱和电子速度（cm/s）1.3×10E79×10E6器件最高工作温度（C）250200抗辐照能力优异差热导率（W/cm·C）0.461.45 SiIC的演变：MMIC的特殊性 微波电路的多样性导致使用的器件种类名目繁多—— 寻求与Si-MOS相似的“统一”器件：

（利用GaAs类MESFETs在微波电路应用时的多功能性：解决 MMIC中微波器件的结构平面化与设计简化问题） 应用频率（RF及微波频段）提高： “路”（集中元件）——“场”（电磁场）

设计复杂化：电磁场、寄生效应 寄生效应——元件的紧邻效应 电路基板“非理想性”MMIC：功能电路——微波频率模拟ICMESFETsMESFET的大动态范围的工作特性微波电路中 的“多面手”替代各种微波二极管微波电路可用单一种类MESFET组成大大简化 MMIC的设计与制造复杂性MESFET的准平面结构+与微波无源元件制造工艺 的相容性最终解决MMIC的可制造性MMIC中使用的FETs的特殊性 SiICs：MOSFET的“导通”与“截止” 化合物MMICs：MESFET特性的不同区域——电路CAD设计用器件模型：十分复杂大动态范围线性与非线性工作区微波频率下的延迟效应微波频率下的寄生效应异质结新原理器件大幅度改进

MMIC性能“三高”：高载流子输运特性、高器件设计灵活性、高工作结温

异质结构FETs：HEMT、PHEMT、MHEMT异质结双极型器件HBTs：单异质结HBT、双异 质结HBT（DHBT）宽禁带化合物半导体（GaN）的异质结器件化合物微波异质结半导体器件的优势异质结器件大大提高器件的工作频率： GaAsPHEMTs：40-60GHz InPHEMTs：100GHz以上

通信、军事应用异质结器件大大提高器件的运算