GaN器件修改版

1、GaN器件白樺林物理與微電子科學學院2012年12月GaN器件專題報告報告內(nèi)容報告內(nèi)容GaN介紹GaN器件GaN器件的應用總結GaN器件專題報告GaN介紹 GaN材料的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與SIC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強的抗腐蝕能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有廣闊的應用前景。GaN器件專題報告 GaN材料結構圖1（

2、a）GaN纖鋅礦晶體結構 圖1（b）GaN閃鋅礦晶體結構GaN器件專題報告GaN器件專題報告 GaN材料具有兩種晶體結構，分別為六方對稱的纖鋅礦結構(見圖1（a）)和立方對稱的閃鋅礦結構（見圖1（b）。通常條件下，GaN以六方對稱性的纖鋅礦結構存在，纖鋅礦結構是由兩套六方密堆積結構沿c軸方向平移5c/8套構而成，它的一個原胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。但在一定條件下也能以立方對稱性的閃鋅礦結構存在。閃鋅礦結構則由兩套面心立方密堆積結構沿對角線方向平移1/4對角線長度套構而成。這種現(xiàn)象在族氮化物材料中是普遍存在的,稱為多型體現(xiàn)象(Polytypism)。GaN器件專題報告 GaN

3、材料性質(zhì) GaN是一種很穩(wěn)定的化合物并且顯示了很強的硬度，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在高溫下的化學穩(wěn)定性再結合其硬度特性,使氮化鎵被制成了一種具有吸引力的防護涂層材料，有利于制造高溫器件?；瘜W特性 在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質(zhì)量差的GaN，可用于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCl或H2氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2氣下最為穩(wěn)定。 GaN器件專題報告 結構特性 GaN器件專題報告GaN器件專題報告 Maruska和Tietjen首先精確地

4、測量了GaN直接隙能量為3.39eV。 電學特性 GaN的電學特性是影響器件的主要因素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型,最好的樣品的電子濃度約為41016/cm3。一般情況下所制備的P型樣品，都是高補償?shù)摹?未摻雜載流子濃度可控制在10141020/cm3范圍。另外，通過P型摻雜工藝和Mg的低能電子束輻照或熱退火處理，已能將摻雜濃度控制在10111020/cm3范圍。 室溫下其電子遷移率可以達到900 cm2/Vs，從而使其非常適于制做高速器件。另外，GaN材料電擊穿強度高、漏電流小，使其適于制作高壓器件。GaN器件專題報告 GaN材料的缺點與問題 在理論上由于其能帶結構的關系，其中載

5、流子的有效質(zhì)量較大，輸運性質(zhì)較差，則低電場遷移率低，高頻性能差。 現(xiàn)在用異質(zhì)外延（以藍寶石和SiC作為襯底）技術生長出的GaN單晶，還不太令人滿意，例如位錯密度達到了1081010/cm2；未摻雜GaN的室溫背景載流子（電子）濃度高達1017/cm3，并呈現(xiàn)出n型導電；雖然容易實現(xiàn)n型摻雜，但p型摻雜水平太低（主要是摻Mg），所得空穴濃度只有10171018/cm3，遷移率10cm2/V.s，摻雜效率只有0.1%1%。 從整體來看，GaN的優(yōu)點彌補了其缺點，而制作微波功率器件的效果還往往要遠優(yōu)于現(xiàn)有的一切半導體材料。GaN器件專題報告報告內(nèi)容報告內(nèi)容GaN介紹GaN器件GaN器件的應用總結Ga

6、N器件專題報告GaN器件的發(fā)展1970年，Pankove制作的MIS型GaN藍光LED。1992年被譽為GaN產(chǎn)業(yè)應用鼻祖的美國Huji Nakaura教授制造了第一支GaN發(fā)光二極管。1993年，Khan等人首次制造了GaN MESFET1993年制造出第一只GaN基HEMT1997年 伊利諾斯大學：雙施主GaN MOSFET，南卡羅來納州立大學：SiC襯底上制造AlGaN/GaN異質(zhì)結FET，GaN蘭、綠發(fā)光和大功率射頻源。1998年，F(xiàn).Ren等人制造出第一只GaN MOSFET。GaN器件專題報告1998年APA公司：高溫高效紫外線探測器，300高溫環(huán)境下有效工作且靈敏度高。日本：白色

7、高能紫外發(fā)光管(LED),與熒光管相比，壽命為50100倍，功耗只有1/2 。1999年日本ichia公司制造了第一支GaN藍光激光器，該激光器的穩(wěn)定性能相當于商用紅光激光器。2007年，YukiNiiyama等人報道了GaN MOSFET器件可以在250高溫下正常工作2008年TriQu int推出了Ku波段的100W芯片,使GaN器件進入了實用階段。美國軍方也在2008、2009年度大力扶持GaN器件,目標是在2010前,在L波段以上的軍事和空間應用的電子器件轉(zhuǎn)向G aN器件GaN器件專題報告常見的GaN器件 GaN基MOSFET 采用GaN制作的MOSFET在高溫、高壓以及大功率器件方面

8、有很好的發(fā)展前景。GaN單晶體材料主要生長在藍寶石或者SiC襯底上，由于藍寶石襯底的制造工藝比較成熟，也相對便宜，故廣泛被采用。GaN MOSFET器件設計在厚度為2um的p型GaN材料上,以Mg作為受主雜質(zhì),濃度在1016-1018cm-3量級范圍內(nèi)，柵級氧化層厚度為10-100nm，柵長取值范圍為0.8-5um之間，n+漏源區(qū)的摻雜濃度為3x1019cm-3,電極間距離Lgd=Lgs為0.5-3um。圖a：GaN MOSFET 結構示意圖GaN器件專題報告 基本的GaN MOSFET器件制造工藝與si基MOSFET器件工藝相似，主要包括襯底層的生長；源漏區(qū)的摻雜；柵介質(zhì)層的選?。黄骷綦x；

9、歐姆接觸和柵極肖特基接觸等等。下面是圖a所示結構的GaN主要工藝流程： u在藍寶石襯底上使用金屬有機化學氣相淀積（MOCVD）生長GaN外延；u采用低壓氣相化學淀積（LPCVD）在GaN上淀積柵介質(zhì)層sio2,淀積溫度為900u淀積0.5umSiO2做保護層，進行離子注入si形成漏源重摻雜；u離子注入完成之后，對器件進行快速熱退火，消除晶格損傷并激活雜質(zhì)；u淀積形成源漏極接觸和柵極接觸；GaN器件專題報告 GaN MOSFET器件存在的問題：u工藝方面，GaN材料的p型摻雜一直沒有得到很好的解決。u器件設計方面，對于GaN MOSFET器件，缺乏性能良好的柵介質(zhì)材料。u計算機模擬方面，使用的描

10、述GaN材料的參數(shù)庫并不完善，而且在模擬中使用的模型并不能代表GaN器件的現(xiàn)有研究狀況GaN器件專題報告 GaN基MODFET： 雖然硅是研究得最多和最先進的技術，它不能在各種條件下表現(xiàn)出良好的性能。新的寬帶隙半導體尤其是氮化鎵（GaN）則彌補了硅的不足，成為實現(xiàn)超高功率和超高頻微波應用的首選。氮化鎵異質(zhì)技術已用于研究高性能調(diào)制摻雜場效應晶體管（MODFET）和自對準MOS門使用了氮化鎵調(diào)制層。GaN器件專題報告 GaN基MODFET結構是在GaN HEFT結構的基礎上構建的。在HEFT結構上添加一個摻雜的AlGaN層和一個未摻雜的GaN層。這樣做的目的是調(diào)制摻雜，優(yōu)化了2DEG性能，從而提高

11、2DEG傳輸特性。 Gate Al SiO2Drain AuSi Cap layerSi doped AlGaN 10nmUndoped AlGaN 10nmUndoped GaN 1mBuffer LayerSiC or Sapphire SunstrateSource AuGaN器件專題報告GaN器件專題報告 GaN HEMT器件 在1992年制備成功具有2DEG的GaN基異質(zhì)結后，1993年制造出第一只GaN基HEMT。之后，隨著AlGaN/GaN的單異質(zhì)結生長工藝和機理研究不斷成熟，作為GaN基HEMT主要結構的AlGaN/GaN HEMT器件的性能也一直在不斷提高。從1993到上世紀

12、末，AlGaN/GaN HEMT推動發(fā)展的機理主要是異質(zhì)結性能的提高、工藝技術（如臺面刻蝕、肖特基接觸和歐姆接觸）的逐步演變和不斷改進以及熱處理技術的不斷成熟。而從2000年以后至今，AlGaN/GaN異質(zhì)結材料的性能已趨于基本穩(wěn)定，AlGaN/GaN HEMT器件性能的提高主要依靠工藝水平的提高和器件結構的改進。GaN器件專題報告圖 AlGaN/GaN HEMT基本結構GaN器件專題報告 GaN基MISFET器件 GaN金屬-絕緣體-半導體場效應管可以采用OMVPE在藍寶石襯底上制造,其剖面結構如下圖所示。GaN器件專題報告 該器件的制作過程是在藍寶石襯底上外延40nm的AlN，作為緩沖層，

13、再淀積3m的本征GaN、淀積6nm的AlN隔離層；最后淀積200nmGaN。源和漏分別利用Ti/Au和Ti/Al。 這種結構具有漏電流小、柵壓高的優(yōu)點，可用于制作大功率微波器件。由于該MISFET利用Si3N4的絕緣體作為柵，代替肖特基柵。與GaN基MODFET類似，采用一個摻雜的GaN層和一個未摻雜的AlGaN層便達到了這一要求，由于柵介質(zhì)材料為絕緣體，就形成MISFET效應晶體管結構。GaN器件專題報告 GaN基光電器件 GaN材料系列是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，GaN及其合金的帶隙復蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質(zhì)結GaN藍色LED之后，InGaN/AlGaN

14、雙異質(zhì)結超亮度藍色LED、InGaN單量子阱GaN LED相繼問世。目前，2cd和6cd單量子阱GaN藍色和綠色LED已進入大批量生產(chǎn)階段。 在探測器方面，已研制出GaN紫外探測器，波長為369nm，其響應速度與Si探測器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN探測器將在火焰探測、導彈預警等方面有重要應用。GaN器件專題報告 GaN器件的最新發(fā)展 最近十年來, GaN器件的研究飛速發(fā)展,對其的研究、開發(fā)和制造已成為目前國際半導體領域中的熱點問題, 并獲得了巨大的發(fā)展, 現(xiàn)在全球已有接近100家和200多所大學與研究所進行GaN材料、工藝和光電器件開發(fā)的研究。 GaN基稀磁半導體 稀磁半導

15、體(Diluted Mag net ic Semico nductors, DMS) 是一種由磁性過渡族金屬離子或稀土金屬離子部分替代非磁性半導體中的陽離子所形成的新的一類半導體材料, 是制造自旋電子器件的重要材料。最近, Lee 等人研究了過渡金屬摻雜的GaN稀磁半導體的價帶劈裂。研究表明Fe、Co、Ni 或Cu 摻雜的GaN的價帶具有長程自旋劈裂, 摻雜的磁性離子之間具有長程的相互作用, 成為最佳稀磁半導體候選材料。GaN器件專題報告 毫米波GaN功率器件 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構(凹柵槽與T型柵相結合的方法),有

16、效地縮短了柵長,并降低了寄生電容。該器件的截止頻率fT可達到104.3GHz(如圖5),最高振蕩頻率fmax可達到160GHz(如圖6)。其功率測試(30G下MAG達到13. 26dBm)是國內(nèi)目前相關研究中已知的最高頻性能。GaN器件專題報告圖a 最高截止頻率fT=104.3GHzGaN器件專題報告圖b 最高振蕩頻率fmax=160GHzGaN器件專題報告 GaN基材料和器件制備方面存在的問題 GaN與基片的失配率很高；GaN的雜質(zhì)濃度高，成品率低；GaN本身沒有解理方向，破損率高；GaN器件的成本高，影響某些應用，如取代白熾燈照明；GaN器件專題報告 GaN器件的發(fā)展方向 目前，GaN器件

17、的各項指標都已非常接近理論水平，但還有很多問題亟待解決，GaN器件未來的發(fā)展方向在于提高器件的可靠性，促進器件工程化、產(chǎn)品化。與此同時，建立成熟的器件工藝規(guī)范和器件模型，進行大量的器件可靠性分析，優(yōu)化器件結構和工藝設計，改進器件可靠性和重復使用率，可以推測，隨著材料物理研究的不斷深入和工藝技術的進步，GaN基半導體材料與器件的研究將有更新的突破。GaN器件專題報告報告內(nèi)容報告內(nèi)容GaN介紹GaN器件GaN器件的應用總結GaN器件專題報告 GaN器件的應用 縱觀GaN微電子器件的發(fā)展歷程,并結合GaN材料的特性, 可以看出其呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭,且已進入實用化階段。GaN 半導體材料的商業(yè)應用始

18、于1970年,目前其在薄膜和單晶生長技術以及光電技術方面的突破達40多個。GaN的優(yōu)異性能使GaN 微電子器件在高頻、高速方面的應用有很大的潛力, 可以在高溫、高壓下工作, 且具備高功率輸出的能力。GaN器件的廣泛應用預示著光電信息甚至是光子信息時代的來臨。如今,微電子器件正以指數(shù)式擴張的趨勢發(fā)展, 至今GaN器件在軍用和民用方面都得到相當廣泛的應用。 GaN器件專題報告 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、大功率和強的抗輻射能力也占很大優(yōu)勢, 從而得到了軍事宇航領域的廣泛重視。并且隨著GaN器件技術的日漸成熟,宇航系統(tǒng)設備中會更多的使用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,國際上,美國雷聲公司研發(fā)的基于GaN的收發(fā)組件,以用于未來雷達升級,并聲明很快就能用這些