呂 曼,司曉琨,楊立軍

Ga N微電子器件的研究進(jìn)展

呂 曼1,司曉琨2,3,4,楊立軍5

(1.北京工業(yè)大學(xué)電控學(xué)院,北京 100022;2.河北省科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所,河北石家莊 050081; 3.石家莊開(kāi)發(fā)區(qū)冀科雙實(shí)科技有限公司,河北石家莊 050081; 4.河北省信息安全認(rèn)證工程技術(shù)研究中心,河北石家莊 050081;5.河北省安裝工程公司,河北石家莊 050000)

介紹了GaN材料的優(yōu)良特性以及工藝上存在的問(wèn)題;著重介紹了 GaN微電子器件的歷史發(fā)展和最新發(fā)展;GaN微電子器件發(fā)展表現(xiàn)出較大應(yīng)用潛力。

GaN;GaN材料;GaN器件

1 引言

以Si和GaA s為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料,其器件在抗輻射、高溫、高壓和高功率的要求下已逐漸不能滿足現(xiàn)在電子技術(shù)的發(fā)展。寬禁帶半導(dǎo)體(SiC、GaN等)電子器件,可以應(yīng)用在高溫、高壓、高頻和惡劣的環(huán)境中,如雷達(dá)、無(wú)線通信的基站及衛(wèi)星通信。GaN禁帶寬度大、擊穿電壓高、電子飽和漂移速度高,具有優(yōu)良的電學(xué)和光學(xué)特性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性,使其在高頻大功率、高溫電子器件等方面倍受青睞。寬禁帶半導(dǎo)體已成為微電子學(xué)新領(lǐng)域,是當(dāng)代半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)最重要的前沿領(lǐng)域之一。

2 GaN材料

2.1 GaN材料性質(zhì)

GaN是一種很穩(wěn)定的化合物并且顯示了很強(qiáng)的硬度,它的寬禁帶、高飽和速度以及高的擊穿電壓有利于制造成為微波功率器件。GaN是一個(gè)非常穩(wěn)定的化合物并且展現(xiàn)出很強(qiáng)的硬度。正是這種在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性再結(jié)合其硬度特性,使氮化鎵被制成了一種具有吸引力的防護(hù)涂層材料,有利于制造高溫器件。

2.2 GaN材料結(jié)構(gòu)與特性

GaN材料具有兩種晶體結(jié)構(gòu),分別為六方對(duì)稱的纖鋅礦結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1(a))和立方對(duì)稱的閃鋅礦結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1(b))。通常條件下,GaN以六方對(duì)稱性的纖鋅礦結(jié)構(gòu)存在,纖鋅礦結(jié)構(gòu)是由兩套六方密堆積結(jié)構(gòu)沿c軸方向平移5c/8套構(gòu)而成,它的一個(gè)原胞中有4個(gè)原子,原子體積大約為 GaA s的一半。但在一定條件下也能以立方對(duì)稱性的閃鋅礦結(jié)構(gòu)存在。閃鋅礦結(jié)構(gòu)則由兩套面心立方密堆積結(jié)構(gòu)沿對(duì)角線方向平移1/4對(duì)角線長(zhǎng)度套構(gòu)而成。這種現(xiàn)象在Ⅲ族氮化物材料中是普遍存在的,稱為多型體現(xiàn)象(Polytypism)。

圖1(a) GaN纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)

圖1(b) GaN閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)

纖鋅礦 GaN材料的物理特性見(jiàn)表1[1,2],其質(zhì)地堅(jiān)硬,熔點(diǎn)較高,且化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定[3],但是離子刻蝕(RIE)可以有效地對(duì)GaN進(jìn)行刻蝕,從而促進(jìn)了GaN器件的發(fā)展。GaN材料具有較高的電子漂移飽和速度和電子遷移率,室溫下其電子遷移率可以達(dá)到900 cm2/V·s,從而使其非常適于制做高速器件。另外,GaN材料電擊穿強(qiáng)度高、漏電流小,使其適于制作高壓器件。

表1 纖鋅礦GaN的物理特性

2.3 GaN材料的不足

在理論上由于其能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系,其中載流子的有效質(zhì)量較大,輸運(yùn)性質(zhì)較差,則低電場(chǎng)遷移率低,高頻性能差。

現(xiàn)在用異質(zhì)外延(以藍(lán)寶石和SiC作為襯底)技術(shù)生長(zhǎng)出的 GaN單晶,還不太令人滿意,例如位錯(cuò)密度達(dá)到了108～1010/cm2;未摻雜 GaN的室溫背景載流子(電子)濃度高達(dá)1017/cm3,并呈現(xiàn)出n型導(dǎo)電;雖然容易實(shí)現(xiàn)n型摻雜,但p型摻雜水平太低(主要是摻M g),所得空穴濃度只有1017～1018/cm3,遷移率<10cm2/V.s,摻雜效率只有0.1%～1%。

總之,從整體來(lái)看,GaN的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了其缺點(diǎn),而制作微波功率器件的效果還往往要遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的一切半導(dǎo)體材料。

3 GaN微電子器件的研究進(jìn)展

3.1 GaN常見(jiàn)微電子器件

3.1.1 GaN基MOSFET

采用GaN制作的MOSFET在高溫、高壓以及大功率器件方面有很好的發(fā)展前景。1998年,F. Ren等人制造出第一只 GaN MOSFET,使用了 Ga2O3(Cd2O3)做柵介質(zhì)材料。2000年至2005年,J. W.Johnson、Kuan-w eiLee、Y.lrokaw a、Kevin M atocha分別使用SiO2/Gd2O3、液相淀積SiO2、M gO等材料制作GaN MOSFET,顯著提高了源漏擊穿電壓,器件表現(xiàn)出良好的調(diào)制效應(yīng)。2006年,Heon-BokLee等報(bào)道SB-MOSFET的閾值電壓為1.62V,另外W.Huang等人也報(bào)道了GaN MOSFET器件峰值場(chǎng)效應(yīng)遷移率達(dá)到167cm2/V·s。2007年,YukiNiiyama等人報(bào)道了 GaN MOSFET器件可以在250℃高溫下正常工作[4]。

3.1.2 GaN基M ESFET

采用GaN的寬禁帶和簡(jiǎn)單的制造工藝,采用低壓MOCVD技術(shù),并在藍(lán)寶石襯底上利用一層A lN薄膜緩沖層來(lái)提高 GaN膜質(zhì)量的方法來(lái)制作M ESFET器件。1993年,Khan等人采用該方法首次制造了GaN M ESFET,并用Ti/Au形成歐姆接觸作為源和漏,用銀形成肖特基接觸作為柵。最終獲得器件柵長(zhǎng)為1μm,在柵偏壓為-1V處,跨導(dǎo)為23m S/mm。隨后,S.C.Binari等人采用有機(jī)物金屬汽相外延技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一個(gè)無(wú)意識(shí)摻雜的 GaN外延層的方法制作了具有更好微波性能的 GaN M ESFET。并預(yù)測(cè)隨著設(shè)計(jì)和工藝的提高,GaN M ESFET的f T將達(dá)到20～40GHz[5]。

3.1.3 GaN基MODFET

雖然硅是研究最多和最先進(jìn)的技術(shù),但它不能在各種條件下表現(xiàn)出良好的性能。新的寬帶隙半導(dǎo)體尤其是氮化鎵(GaN)則彌補(bǔ)了硅的不足,成為實(shí)現(xiàn)超高功率和超高頻微波應(yīng)用的首選。氮化鎵異質(zhì)技術(shù)已用于研究高性能調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MODFET)和自對(duì)準(zhǔn)MOS門(mén)使用了氮化鎵調(diào)制層,如圖1。

圖1 MOS AlGa N/GaN HEM T結(jié)構(gòu)

該GaN基MODFET機(jī)構(gòu)是在GaN HEFT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的。在HEFT結(jié)構(gòu)上添加一個(gè)摻雜的A lGaN層和一個(gè)未摻雜的GaN層。這樣做目的是調(diào)制摻雜,優(yōu)化了2DEG性能,從而提高2DEG傳輸特性。

3.1.4 GaN基HBT

據(jù)報(bào)道,GaN/SiC HBT具有高的電流增益。GaN和SiC的禁帶寬度分別為3.4eV和2.9eV,兩者都具有高的熱導(dǎo)率,分別為1.3W/cm·℃和5.0W/cm·℃。兩種材料相當(dāng)匹配?？梢圆捎胣型摻雜,濃度為1.8×1018cm-3的SiC襯底作為集電極。另外,還有有關(guān)GaN/InGaN/GaN HBT等的報(bào)道。而用于大功率通信和雷達(dá)的功率放大器的A lGaN/GaN npn HBT,其高溫工作的溫度也可達(dá)到300℃。GaN基HBT常用的結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。

圖2 GaN HBT常用的結(jié)構(gòu)示意圖

雙異質(zhì)結(jié)HBT的發(fā)射區(qū)采用寬禁帶材料,其中基區(qū)和集電區(qū)采用窄禁帶材料。由于發(fā)射區(qū)材料和基區(qū)材料的禁帶寬度不同,HB T在異質(zhì)界面處存在導(dǎo)帶不連續(xù)和價(jià)帶不連續(xù)。價(jià)帶不連續(xù)阻擋基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)反向注入,所以HBT的電子注入效率和電流增益大大提高。

據(jù)報(bào)道,這種GaN HBT在其發(fā)射極工作時(shí)的DC增益為8。用水平外延過(guò)生長(zhǎng)技術(shù)選擇生長(zhǎng)方法制作的GaN HBT,基區(qū)載流子濃度達(dá)到8×1017/cm3,室溫時(shí)DC增益為6[7]。

3.1.5 GaN基M ISFET

GaN金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管可以采用OMVPE在藍(lán)寶石襯底上制造,其剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 GaNM ISFET截面結(jié)構(gòu)示意圖

該器件的制作過(guò)程是在藍(lán)寶石襯底上外延40nm的A lN,作為緩沖層,再淀積3μm的本征GaN、淀積3nm的A lN隔離層;最后淀積200nm GaN。源和漏分別利用Ti/Au和Ti/A l。

這種結(jié)構(gòu)具有漏電流小、柵壓高的優(yōu)點(diǎn),可用于制作大功率微波器件。由于該M ISFET利用Si3N4的絕緣體作為柵,代替肖特基柵。與GaN基MODFET類(lèi)似,采用一個(gè)摻雜的GaN層和一個(gè)未摻雜的A lGaN層便達(dá)到了這一要求,由于柵介質(zhì)材料為絕緣體,就形成M ISFET效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。

3.1.6 A lGaN/GaN MOS-HEM T

在1992年制備成功具有2DEG的GaN基異質(zhì)結(jié)后,1993年制造出第一只GaN基HEM T。之后,隨著A lGaN/GaN的單異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)工藝和機(jī)理研究不斷成熟,作為 GaN基 HEM T主要結(jié)構(gòu)的A l-GaN/GaN HEM T器件的性能也一直在不斷提高。從1993到上世紀(jì)末,A lGaN/GaN HEM T推動(dòng)發(fā)展的機(jī)理主要是異質(zhì)結(jié)性能的提高、工藝技術(shù)(如臺(tái)面刻蝕、肖特基接觸和歐姆接觸)的逐步演變和不斷改進(jìn)以及熱處理技術(shù)的不斷成熟。而從2000年以后至今,A lGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的性能已趨于基本穩(wěn)定,A lGaN/GaN HEM T器件性能的提高主要依靠工藝水平的提高和器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn),圖4為A l-GaN/GaNHEM T的基本結(jié)構(gòu)[8-9]。

圖4 AlGaN/GaN HEM T基本結(jié)構(gòu)

3.2 GaN微電子器件的最新進(jìn)展

最近十年來(lái),GaN器件的研究飛速發(fā)展,對(duì)其的研究、開(kāi)發(fā)和制造已成為目前國(guó)際半導(dǎo)體領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問(wèn)題,并獲得了巨大的發(fā)展,現(xiàn)在全球已有接近100家公司和200多所大學(xué)與研究所進(jìn)行 GaN材料、工藝和光電器件開(kāi)發(fā)的研究。

3.2.1 GaN基稀磁半導(dǎo)體

稀磁半導(dǎo)體(Diluted Magnetic Semiconductors,DMS)是一種由磁性過(guò)渡族金屬離子或稀土金屬離子部分替代非磁性半導(dǎo)體中的陽(yáng)離子所形成的新的一類(lèi)半導(dǎo)體材料,是制造自旋電子器件的重要材料[10]。

2000年,Dietl等人通過(guò)理論計(jì)算得到了不同摻雜的p型半導(dǎo)體溫度的預(yù)期值。該工作表明,摻M n的氮化鎵(GaN)基稀磁半導(dǎo)體(Ga,M n)能實(shí)現(xiàn)室溫甚至更高溫度下載流子誘導(dǎo)的鐵磁性。同時(shí), Pearton等人也利用平均場(chǎng)的理論預(yù)測(cè)了不同帶隙的DM S材料的居里溫度,并假定材料中的鐵磁性相互作用是由空穴來(lái)傳遞的。之后,Dalpian等人又利用能帶結(jié)構(gòu)的模型解釋了M n摻雜的Ⅲ-Ⅴ族以及Ⅱ-Ⅵ族的半導(dǎo)體中的磁有序,并利用帶結(jié)構(gòu)和能級(jí)排斥模型解釋了M n基的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族的半導(dǎo)體,比如 GaN,Cd Te,ZnO和 GaA s。最近,Lee等人利用第一性原理計(jì)算研究了過(guò)渡金屬摻雜的GaN稀磁半導(dǎo)體的價(jià)帶劈裂。研究表明Fe、Co、Ni或Cu摻雜的GaN的價(jià)帶具有長(zhǎng)程自旋劈裂,摻雜的磁性離子之間具有長(zhǎng)程的相互作用,成為最佳稀磁半導(dǎo)體候選材料[11-14]。

3.2.2 毫米波GaN功率器件

近日,微電子研究所微波器件與集成電路研究室研制成功了毫米波 GaN功率器件。毫米波 GaN功率器件采用的新結(jié)構(gòu)(凹柵槽與 T型柵相結(jié)合的方法),有效地縮短了柵長(zhǎng),并降低了寄生電容。該器件的截止頻率f T可達(dá)到104.3GHz(如圖5),最高振蕩頻率fmax可達(dá)到160GHz(如圖6)。其功率測(cè)試(30G下M A G達(dá)到13.26dBm)是國(guó)內(nèi)目前相關(guān)研究中已知的最高頻性能[15]。

圖5 最高截止頻率fT=104.3GHz

圖6 最高振蕩頻率fmax=160GHz

4 應(yīng)用

縱觀GaN微電子器件的發(fā)展歷程,并結(jié)合 GaN材料的特性,可以看出其呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭,且已進(jìn)入實(shí)用化階段。GaN半導(dǎo)體材料的商業(yè)應(yīng)用始于1970年,目前其在薄膜和單晶生長(zhǎng)技術(shù)以及光電技術(shù)方面的突破達(dá)40多個(gè)。GaN的優(yōu)異性能使GaN微電子器件在高頻、高速方面的應(yīng)用有很大的潛力,可以在高溫、高壓下工作,且具備高功率輸出的能力。GaN器件的廣泛應(yīng)用預(yù)示著光電信息甚至是光子信息時(shí)代的來(lái)臨。如今,微電子器件正以指數(shù)式擴(kuò)張的趨勢(shì)發(fā)展,至今 GaN器件在軍用和民用方面都得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

在軍用方面,由于GaN微電子器件可以在600～1100℃的溫度范圍內(nèi)工作,其高頻、大功率和強(qiáng)的抗輻射能力也占很大優(yōu)勢(shì),從而得到了軍事宇航領(lǐng)域的廣泛重視。并且隨著 GaN器件技術(shù)的日漸成熟,宇航系統(tǒng)設(shè)備中會(huì)更多的使用 GaN器件,使宇航系統(tǒng)的工作能力與可靠性都得到最大限度的提升[17],國(guó)際上,美國(guó)雷聲公司正在研發(fā)基于 GaN的收發(fā)組件,以用于未來(lái)雷達(dá)升級(jí),并聲明很快就能用這些收發(fā)組件取代那些對(duì)功率和性能要求日益提高的雷達(dá)元器件[18]。

在民用方面,GaN基器件的對(duì)高頻率和大功率的處理能力對(duì)于發(fā)展高級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)中的放大器、調(diào)制器以及其它關(guān)鍵器件都很重要?，F(xiàn)在的第三代移動(dòng)通信中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可使人們利用手機(jī)或其它便攜式設(shè)備訪問(wèn)可支持高質(zhì)量音頻甚至視頻應(yīng)用的高速數(shù)據(jù)流。

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The research of the Ga Nm icroelectron ic devices

LV Man1,SIXiao-kun2,3,4,YANGLi-jun5

(1.Institute of Electronic Information&Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing100022;2.Institute of App lied M athematics,Hebei Academ y of Science,Shijiazhuang Hebei050081,China;3.SJZJ KSS Technology Co.,L td,Shijiazhuang Hebei050081,China;4.Hebei Authentication Technology Engineering Research Center,Shijiazhuang Hebei050081,China;5.Hebei Installation Engingerring Co.,L td,Shijiazhuang Hebei050000,China.)

This paper introduced the p roperties of GaN materials and the p roblem s existing in the p rocess.The history and late development of the GaN microelectronic devices was focused on.And comparatively large utilization potentiality can be seen in the development trend.

GaN;GaN material;GaN microelectronic devices

TN604

:A

1001-9383(2011)01-0049-07

2010-12-24

呂曼(1984-),女,河北石家莊人,碩士研究生,研究方向?yàn)榧呻娐放c微電子器件.

司曉琨 E-mail:sixiaokun0706@gmail.com