射頻III-V族化合物

半導體技術2003.10 成都內容限定化合物：元素半導體……（Ga,Te,Se,Ge,Si…..)III-V族：SiGe、SiC、II-VI族半導體……射頻（RF）：光、熱、敏感、低頻……實用性成熟：低維結構（量子點、量子線、量 子諧振隧穿……）ABCS（銻化物基半導體）內容 III-V化合物半導體特性的吸引力與發展歷程 微波應用對半導體特性潛力的挖掘 器件設計：“摻雜工程”——“能帶工程” 材料制造技術：基礎材料——“功能材料” III-V寬禁帶高溫半導體技術 III-V化合物微波單片集成電路技術 結論III-V化合物半導體的特性優勢與發展歷程III-V化合物半導體的主要吸引力材料的多元性（二元、三元及多元）：大大地提高器件設計的靈活性與性能優化的潛力更高品質的載流子輸運特性：滿足高頻、高速器件的基本要求直接能隙半導體：光電子發射高頻、高速、微波、光電應用電路的一體化：對全功能性材料的追求——單片化多功能集成電路技術

III-V化合物半導體發展歷程化合物半導體的歷史與元素半導體同樣悠久發展遇到的最大困難是材料生長的困難化合物材料技術的發展（晶片直徑、外延技術）直接推動新原理器件的誕生與應用

中國的III-V化合物半導體技術發展始于1960年代前期GaAs、InP單晶體生長的難點

合成與生長：熔點溫度下高揮發（As、P） ——高蒸汽壓、純化學配比 高溫生長——坩堝沾污

高溫高壓——不完整性：缺陷、位錯

GaAs（InP）單晶拉制工藝：LEC、VB、VGF

機械強度——晶片加工與器件制造工藝困難III-V半導體材料技術的發展直接推動

器件與應用的進程：例外延技術（MBE、MOCVD）的發展直接推動化合物新型器件 的發展：

HBT——

1948Schokley提出不同半導體材料形成異質結雙極晶體管的原理 1957Kroemer提出完整的HBT設計理論 1977Konnzai等制造出第一個真正的GaAs/AlGaAsHBT

HEMT—— 1978Dingle用MBE生長出能產生2DEG的異質結構 1980Mimura等制造出第一個AlGaAs/GaAsHEMT材料合成與單晶拉制的困難制約著化合物器件與集成技術的發展：1967GaAsMESFET（單晶拉制技術的完善：1965LEC）1976GaAsMMIC（1-2英吋直徑單晶拉制及晶片加工：1970s初）III-V化合物半導體技術發展里程碑晶體合成與單晶拉制：GaAs：1956；InP：1968器件研究：GaAsGUNN1963三極管：GaAsMESFET1970異質結三極管：GaAs：HBT1977；HEMT1980；PHEMT1985 InP：HEMT1987單片集成電路（MMIC）：GaAs

1976；InP

1990寬禁帶半導體三極管器件：GaNHEMT1993

寬禁帶MMIC：GaNHEMTMMIC2000我國III-V化合物半導體技術的歷程

GaAs單晶拉制：1961（1959）

GaAsGUNN二極管研制：1964（1963）

GaAsMESFET研制：1975（1970）

GaAsMESFETMMIC研制：1980（1976）

GaAs基HEMT研制：1984（1980）GaAs材料合成試驗：1959（1956）

GaNHEMT研制：1999（1993） RF與微波器件的工作機理推動對III-V半導體特性的深入挖掘利用射頻應用對半導體特性、效應的

深入挖掘 傳統（二極管、三極管）器件特性的充分利用：

I-V特性的利用：線性、非線性、大動態范圍

結電容特性的利用：線性、非線性

溝道電導調制效應的利用電子在高場下的漂移特性： 遷移率的非線性、電子飽和速度高能電子在強場下的特殊行為： 碰撞引起載流子倍增與雪崩倍增 導帶子能谷之間的電子谷間轉移微波半導體器件特性的非線性利用I-V特性的非線性區效應： 產生信號頻率的諧波、分諧波成分—— 變頻、倍頻、分頻

Schottky二極管、檢波二極管、混頻二極管、 隧道二極管結電容的壓控特性： 改變諧振回路頻率及Q值——寬帶信號源

變容二極管、階躍二極管溝道電導的非線性調制： 用于RF信號的衰減、限幅

PIN二極管、限幅二極管

電場下載流子行為：漂移與飽和電子極限速度：飽和速度vs微波器件性能：低場遷移率n與高場飽和速度vs的

綜合效應MESFET、HEMT、PHEMT、HFET、MHEMT、HBT 高場下的電子運動：微波三極管中的尺寸效應—— 亞微米柵（FET）、超薄基區（BT）III-V族化合物半導體的速場特性化合物半導體——導帶雙能谷：有效質量不同“快”態電子、“慢”態電子高電場下躍遷：

快電子慢電子負微分遷移率（電子）高電場下電子進入遠離導帶底的高能態—— 傳統的導帶底部低能態近似不再適用化合物半導體器件內的高場效應：

雪崩與體效應（GUNN效應）高能電子高速漂移運動引起的載流子碰撞、雪崩

IMPATT（雪崩二極管）高能電子在化合物半導體（GaAs、InP）導帶子能谷間 轉移

“快”電子——“慢”電子引起半導體內的偶極子疇：

正效應：GUNN效應與器件 副效應：干擾某些器件正常工作狀態

GUNN二極管（體效應二極管）充分挖掘半導體內載流子的各種特性：眾多的微波器件家族半導體異質結構的實現開創了

“能帶工程”器件設計原理時代FETs：化合物vsSi

GaAs類FET特點：缺乏類SiO2穩定氧化物 空穴遷移率遠低于電子SiIII-V化合物結P/NSchottkybarrierP/N載流子電子，空穴電子器件結構MOSMES，MIS器件內部電場較弱較強互補電路CMOSE/D器件需采用不同工作原理——GaAs（InP）基金屬半導體場效應晶體管（MESFETs）化合物器件：從MOSFET到MESFET化合物半導體缺乏具有良好加工性能的氧化物鈍化層 必須采用非MOSFET型器件MOS結構MES結構（金屬半導體接觸勢壘） 化合物半導體（GaAs、InP）較大的Eg優異的 Schottky勢壘特性類MOSFET的MESFET： 柵下MOS電容電位控制柵下溝道厚度的耗盡控制異質結器件的崛起：化合物半導體同質結FET及BJT原理的突破同質材料結構異質材料結構： 器件原理與特性的飛躍異質結構器件設計優化： 傳統的擴散、注入、合金、氧化：摻雜工程 異質層結構的設計優化及外延：能帶工程實例1：高電子遷移率晶體管（HEMT）雙平面摻雜PHEMT層結構示意2DEG層膺配HEMT剖面示意HEMT工作原理n-AlGaAsi-GaAsHEMT的原理特點AlGaAs/GaAs異質結的導帶不連續性：GaAs一側形成量子勢阱，摻雜層內電子轉移到阱內形成高面密度的二維電子氣（2DEG）摻雜層與2DEG層的空間分離，降低雜質離子的庫侖散射：提高2DEG的遷移率解決了：器件工作區內增加載流子濃度與提高載流子遷移率的矛盾——體現微波頻率下工作HEMT的優異特性實例2：HBT

npn-HBT剖面示意npn-HBT層結構示意HBT的原理特點異質EB發射結：寬能隙發射區、窄能隙基區HBT的原理特點異質EB結的能帶差ΔEg增加了改變發射結注入比的手段：

max=(Ne/Pb)(vnb/vpe)exp(Eg/kt)在保持高發射結注入效率的前提下通過發射區、集電區低摻雜、基區高摻雜實現降低Rb、Ce、Cc：提高HBT的工作頻率fmax解決：雙極晶體管提高頻率與增加增益間矛盾——體現微波頻率下工作HBT的優異特性異質結構效應對化合物半導體器件的影響：MESFET類異質器件采用異質Spike摻雜改進MESFET溝道雜質分布以提高器件功率輸出時的效率與線性度采用大能隙異質勢壘層（AlGaAs）提高MESFET的Schottky勢壘特性以改進器件頻率與增益采用電子輸運特性更優異的異質溝道層材料（InGaAs）以全面提高MESFET及HEMT的高頻特性（頻率、增益、功率、效率）采用復合異質溝道層（如GaAs/InGaAs）或多層脈沖摻雜溝道層通過同時提高載流子的輸運特性及溝道載流子濃度以改善器件的頻率與功率輸出特性異質結構效應對化合物半導體器件的影響：HBT類異質器件采用窄能隙（GaAs、InGaAs）基區利用異質發射結效應全面改進BJT的高頻特性（、fT、fmax）采用雙異質結（EB發射結、CB集電結）進一步改善集電結輸運特性利用異質結構的選擇腐蝕性（自停止腐蝕性，如InGaP與GaAs）實現HBT工藝中結平面的精確定位（10-1nm精度）利用高鈍化特性的異質生長層（如InGaP）實現HBT發射結的低界面態表面鈍化保護化合物異質器件設計：能帶工程異質半導體器件的設計：能帶工程—— Schroedinger方程+Poisson方程 異質界面間的電子轉移—— 波函數、子能級、態密度：2DEG面密度 異質半導體器件的設計參數—— 層結構、厚度、摻雜濃度 異質半導體器件設計的實現—— 密切結合異質材料生長工藝：功能材料同質半導體器件的設計：摻雜工程——Poisson方程化合物半導體材料技術進展——實現功能結構材料的完美生長異質結器件用功能材料的能力“能帶工程”設計的異質結構器件： 異質層厚度——nm級及以下 異質界面——單原子層完美過渡 相鄰異質層的摻雜濃度差——超過5個數量級外延生長技術的巨大突破——“功能材料”： 分子束外延（MBE） 金屬有機源化學汽相外延（MOCVD、MOVPE）

二元——多元

使用功能材料大大簡化異質結構器件的加工復雜性：

☆保證了異質結器件設計的可實現性

☆器件縱向尺寸（10-3m精度）□III-V族化合物半導體的禁帶寬度Eg與晶格常數a關系圖分子束外延（MBE）MBE生長原理及設備有機金屬源化學汽相淀積（MOCVD）MOCVD系統工作原理采用改性層（Metamorphic）技術實現基本半導體材料間的異質生長目的： 克服原有襯底材料特性的缺點 避免使用昂貴襯底材料：降低成本 根據器件與IC設計要求實現襯底及外延層的綜合利用 實現不匹配晶體之間的單晶層外延發展中技術： Si襯底上外延GaAs、GaN、SiC GaAs襯底上外延InP 藍寶石襯底上外延GaN、SiC

……III-V高溫半導體技術III-V高溫半導體技術發展的動力對于固態大功率發射源的持續而又急迫需求

固態源優勢：小體積、長壽命、高可靠、輕重量 （滿足軍事武器系統及民用微波發射設備的特殊要求）

固態源缺點：功率小、效率低原因：載流子輸運特性、器件能承載的輸入功率電平（電流、電壓）、散熱特性降低制造成本的要求III-V寬禁帶半導體的主要優點

強場下高電子漂移速度：高頻、大電流大禁帶寬度：高溫下保持器件的正常工作高熱導率：大功率下保持較低的結溫高擊穿電場強度：提高器件外加電壓來提高輸出功率主要III-V半導體基本特性比較SiGaAsGaN4H-SiC禁帶寬度（eV）1.111.433.43.2相對介電常數11.812.89.09.7擊穿電場（V/cm）6E56.5E535E535E5電子飽和速度（cm/s）1E71.2E71.5E72E7遷移率（cm2/Vs）135060001000800熱導率（W/cmK）1.50.461.74.9GaN高溫半導體技術共同特點——寬禁帶半導體材料：高溫工作（ 400C）、高熱導（減小重量、尺寸）GaN器件特點：異質結構——提高電子輸運特性進展：固態微波大功率源：軍事電子系統功率發射、 民用基站功放模塊

GaN——X波段：單管>10（CW） 脈沖7W/mm，PAE62%軍用現代相控 陣雷達 1.8-2.2GHz：22W（CW），17Db移動通信基站用 2GHz：108WCW移動通信基站用

基站用GaNHEMT功放模塊美國CreeMicrowave頻段：2GHz輸出功率：22W（CW）增益：17dB頻帶：400MHz

2個GaN功率管

化合物半導體射頻（微波）集成技術：微波單片集成電路（MMIC）III-V族化合物半導體適于

MMIC應用的性能因素GaAs類化合物半導體中載流子更優異的輸運特性：器件及IC的工作頻率可進入微波毫米波頻段GaAs類化合物半導體體材料的半絕緣特性：可作為較理想的微波電路基板材料GaAs類化合物半導體材料的優良的IC加工性能：可以解決微波頻段IC（MMIC）的制造難題GaAs與Si基本特性的比較特性GaAsSi半絕緣性是否襯底電阻（Ohm-cm）10E7-10E910E2-10E3介電常數12.911.7電子遷移率（cm2/V·s）6000-8000700飽和電子速度（cm/s）1.3×10E79×10E6器件最高工作溫度（C）250200抗輻照能力優異差熱導率（W/cm·C）0.461.45 SiIC的演變：MMIC的特殊性 微波電路的多樣性導致使用的器件種類名目繁多—— 尋求與Si-MOS相似的“統一”器件：

（利用GaAs類MESFETs在微波電路應用時的多功能性：解決 MMIC中微波器件的結構平面化與設計簡化問題） 應用頻率（RF及微波頻段）提高： “路”（集中元件）——“場”（電磁場）

設計復雜化：電磁場、寄生效應 寄生效應——元件的緊鄰效應 電路基板“非理想性”MMIC：功能電路——微波頻率模擬ICMESFETsMESFET的大動態范圍的工作特性微波電路中 的“多面手”替代各種微波二極管微波電路可用單一種類MESFET組成大大簡化 MMIC的設計與制造復雜性MESFET的準平面結構+與微波無源元件制造工藝 的相容性最終解決MMIC的可制造性MMIC中使用的FETs的特殊性 SiICs：MOSFET的“導通”與“截止” 化合物MMICs：MESFET特性的不同區域——電路CAD設計用器件模型：十分復雜大動態范圍線性與非線性工作區微波頻率下的延遲效應微波頻率下的寄生效應異質結新原理器件大幅度改進

MMIC性能“三高”：高載流子輸運特性、高器件設計靈活性、高工作結溫

異質結構FETs：HEMT、PHEMT、MHEMT異質結雙極型器件HBTs：單異質結HBT、雙異 質結HBT（DHBT）寬禁帶化合物半導體（GaN）的異質結器件化合物微波異質結半導體器件的優勢異質結器件大大提高器件的工作頻率： GaAsPHEMTs：40-60GHz InPHEMTs：100GHz以上

通信、軍事應用異質結器件大大提高器件的運算