InP基高電子遷移率晶體管

1、InP基高電子遷移率晶體管基高電子遷移率晶體管 張興雙2014-01-052半導(dǎo)體發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)理簡(jiǎn)介半導(dǎo)體發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)理簡(jiǎn)介半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的分類(lèi)的分類(lèi)半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的制備工藝簡(jiǎn)介的制備工藝簡(jiǎn)介主要內(nèi)容主要內(nèi)容23發(fā)展背景3憑借優(yōu)良的頻率特性,III-V族化合物半導(dǎo)體器件和相關(guān)高頻、高速電路正日益成為毫米波系統(tǒng)核心部件,成為大家競(jìng)相研究的焦點(diǎn)。在眾多的III-V族化合物半導(dǎo)體器件中,磷化銦(InP)基高電子遷移率晶體管(HEMT)具有電子遷移率高、噪聲低、功耗低及增益高等特點(diǎn),在高速、高頻等應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。雖然目前InP HEMT還受到材料昂貴且易碎等方面的制約,但

2、是憑借優(yōu)異的高頻特性和低噪聲性能,被公認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)超高速低噪聲、功率放大電路的最佳選擇,擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。因此,無(wú)論是滿(mǎn)足軍事國(guó)防需求還是提高我國(guó)在未來(lái)信息市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力,我們必須首先獨(dú)立研發(fā)高頻InP HEMT器件。隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,寬帶通信、高精度雷達(dá)和航空遙感等軍民用領(lǐng)域?qū)Ω哳l系統(tǒng)需求越來(lái)越迫切。4發(fā)展歷程發(fā)展歷程41969年Easki和Tsu就提出:在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中,通過(guò)電離施主雜質(zhì)和電子相分離的方式可實(shí)現(xiàn)高頻HEMT器件。隨著分子束外延(MBE)和有機(jī)金屬化學(xué)氣象淀積(MOCVD)等外延技術(shù)的突破,人們基于異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制作出各種新型微電子和光電子器件。1980年基于調(diào)制摻雜n

3、-AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)成功制作出首個(gè)HEMT器件。1986年?yáng)砰L(zhǎng)為1 m的InP基HEMT器件問(wèn)世。1989年Aust等人首次報(bào)道了基于贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT)的單片微波集成電路(MMIC)。1990年Smith等人基于InP基HEMT成功研制出首款兩級(jí)低噪聲MMIC。近年來(lái),隨著電子束工藝的誕生,亞0.1 m量級(jí)T型柵工藝使得HEMT器件向THz高頻方向迅速發(fā)展,相關(guān)電路已經(jīng)表現(xiàn)出向亞毫米波段迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)。55667788國(guó)外 4 英寸 InP 基器件工藝線已成熟并達(dá)到制造商業(yè)產(chǎn)品的水準(zhǔn),而我國(guó) InP基材料、器件和電路研究起步較晚,至今沒(méi)有一條專(zhuān)門(mén)的 InP 工藝線,

4、無(wú)論是器件還是電路性能和國(guó)外先進(jìn)水平相比都存在很大的差距。InP 毫米波技術(shù)的缺失,直接制約著我國(guó)武器裝備的發(fā)展。不過(guò)近年來(lái)隨著國(guó)家的重視和知識(shí)創(chuàng)新體系的建立,經(jīng)過(guò)廣大科研工作者的共同努力,該領(lǐng)域研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。99 InP 基 HEMT MMIC 研究的關(guān)鍵問(wèn)題首先是 InP 基 HEMT 噪聲模型的問(wèn)題,模型作為連接器件與電路之間的紐帶,模型的準(zhǔn)確性直接影響電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性甚至成敗。其次,整個(gè)毫米波放大電路包含:InP 基 HEMT 單管、電阻、電容及電感等無(wú)件,工藝的準(zhǔn)確性和重復(fù)性對(duì)電路性能至關(guān)重要。最后是基于 InP 基 HEMT 器件的毫米波放大電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。101011

5、1112InP 基基 HEMT 的的優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)121313 化合物半導(dǎo)體器件中最具代表性、最能完美顯示異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的高頻器件是 HEMT 和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)。HEMT 器件不僅可獲得高頻、高功率特性,還具有低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。其優(yōu)越特性源于獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu),即異質(zhì)結(jié)界面的導(dǎo)帶不連續(xù)性,這種不連續(xù)性產(chǎn)生的二維電子氣具有很高的低場(chǎng)遷移率和飽和漂移速度。另外,HEMT 是平面結(jié)構(gòu)器件,實(shí)現(xiàn)工藝比 HBT 簡(jiǎn)單得多。因此 HEMT 器件被認(rèn)為是微波/毫米波器件和電路領(lǐng)域中最具競(jìng)爭(zhēng)力的三端器件。1414GaAs、GaN 和 InP 為主要的 III-V 族化合物半導(dǎo)體材料。一般認(rèn)為 4050 GHz范

6、圍內(nèi),GaAs 器件及其電路因技術(shù)成熟、成本等方面的原因,占主要位置。而 75GHz 以上,InP 由于其獨(dú)特的性能成為人們的首選。首先,InP 材料溝道電子遷移率高,工作頻率更高,噪聲性能更好。其次,相對(duì)于 GaAs 器件的 AlGaAs/InGaAs界面,InP 器件中的 InAlAs/InGaAs 界面存在更大的導(dǎo)帶不連續(xù)性,二維電子氣密度大,導(dǎo)電溝道的薄層電子濃度高,大大改善了器件的電流處理能力。相同工藝水平下,跨導(dǎo)更大,器件功率增益更大。再者,InP 材料的熱導(dǎo)率比 GaAs 高 40%,在相同功耗工作時(shí),溫度更低,可有較大的輸出功率。采用雙凹槽和非對(duì)稱(chēng)溝槽、復(fù)合溝道技術(shù),可更大程度

7、地提高器件擊穿特性。相對(duì)于 InP材料,成本和頻率特性的限制成為 GaN 材料的軟肋。因此在毫米波頻段功率應(yīng)用中,InP 基 HEMT 占有特殊的地位。1515161617對(duì)于HEMT材料的器件研究，提高2DEG濃度和遷移率是至關(guān)重要。2DEG的濃度主要受異質(zhì)結(jié)材料導(dǎo)帶偏移量Ec和雜質(zhì)摻雜濃度以及電子轉(zhuǎn)移效率的影響。在材料一定的前提下，Ec就確定了,而過(guò)大的摻雜濃度必然導(dǎo)致平行電導(dǎo)的出現(xiàn)。電子轉(zhuǎn)移效率主要受勢(shì)壘層及隔離層厚度影響并已經(jīng)得到了系統(tǒng)的研究。量子阱寬度對(duì)量子阱中電子在不同能級(jí)之間的分布以及對(duì)材料宏觀的2DEG濃度和遷移率的影響對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化InP基HEMT器件極為重要，可是至今還缺乏

8、這方面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。1818 InP基InGaAs、InAlAs HEMT與傳統(tǒng)的GaAs基AlGaAs、GaAs HEMT材料相比，具有更高的電子遷移率和電子飽和速度以及更大的二維電子氣(2DEG)面密度，成為目前超高速器件的優(yōu)先選擇。 特別是InP基的In0.53GaAs，In0.52AlAsHEMT材料，由于屬于晶格匹配體系而使材料在分子束外延(MBE)過(guò)程中可以生長(zhǎng)出良好的晶體質(zhì)量，具有優(yōu)良的性能，而被應(yīng)用于毫米波低噪聲功率放大器領(lǐng)域。InP基基HEMT的特征的特征1919 InP基HEMT的特征HEMT也是FET，如GaAs基的HEMT。采用GaAs/n-AlGaAs結(jié)構(gòu)，用選擇摻

9、雜(也叫調(diào)制摻雜)的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)FET，GaAs為電子輸運(yùn)區(qū)，n-AlGaAs為電子供給層。由于異質(zhì)結(jié)在空間上是分開(kāi)的，消除了離化施主雜質(zhì)的散射, 故噪聲系數(shù)可以有效地降低。在提高頻率、降低噪聲方面，InP基材料都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于GaAs。 溝道層是InxGa1-xAs，溝道層下面是n-AlGaAs的緩沖層,再下面是InP基板。上面是極薄的InAlAs隔離層，再上面是電子供給層n-InAlAs，其上是n-InGaAs，然后是源、漏、柵電極。 一般溝道InGaAs的組份是In0.53Ga0.47As。當(dāng)X0.53時(shí)，一般取0.7，即In0.7Ga0.3As時(shí)的結(jié)構(gòu)，叫高In HEMT，也叫膺結(jié)構(gòu)HEMT,

10、室溫下,它的電子遷移率是普通HEMT的1.5倍以上。所以在實(shí)際應(yīng)用中，都是以高In HEMT(又稱(chēng)為P-HEMT)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行超高速器件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。20器件器件性能性能20 有關(guān)InP基HEMT的特性，最初的報(bào)道在1980年。1998年，InP基HEMT的柵長(zhǎng)為0.06 m時(shí)，fmax頻率達(dá)127GHz。2001年，采用T字形柵結(jié)構(gòu)，柵長(zhǎng)Lg=0.03m, fT=352GHz，fmax=523GHz，跨導(dǎo)Gm=1 100ms/mm。 由于InP基HEMT的頻率特性反比于柵長(zhǎng)，所以在提高電子遷移率的同時(shí)，縮短?hào)砰L(zhǎng)是十分必要的。因而需要昂貴的光刻設(shè)備,如電子束曝光、離子束曝光等。層結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)需用M

11、BE(分子束外延)和MOCVD(有機(jī)金屬氣相淀積)，柵圖形的制作、各層的膜組份、厚度、摻雜等都需要精密的控制。所以MBE比較適合超高速器件的晶體生長(zhǎng)。2121 用EPI GEN型MBE系統(tǒng)，采用高純In， Ga，Al和Si源，在半絕緣Fe摻雜的InP襯底(100)方向外延生長(zhǎng)晶格匹配的InP基HEMT器 件 材 料 ， 量 子 阱 寬 度10,15,20,25,35 nm分別對(duì)應(yīng)樣品編號(hào)為A,B,C,D,E的5個(gè)樣品。 在用磁輸運(yùn)測(cè)量表征半導(dǎo)體載流子輸運(yùn)性能中，Shubnikov-de Haas(SdH)振蕩測(cè)量是一種有效的方法。SdH振蕩能給出量子阱中各子帶2DEG的精確信息。樣品制備樣品制

12、備2222 在材料生長(zhǎng)之前，需要在500，As氣壓為1.33105Pa時(shí)去除InP襯底表面的氧化層。然后生長(zhǎng)350 nm In0.52AlAs緩沖層，接著是厚度為1035 nm的In0.53GaAs溝道層也就是量子阱層，對(duì)于不同的樣品量子阱層的厚度也各不相同。經(jīng)4 nm的In0.52AlAs隔離層后，進(jìn)行Si的n型摻雜，其摻雜濃度為51012 cm-2。最后生長(zhǎng)In0.52AlAs勢(shì)壘層和In0.53GaAs帽層。其中In0.52AlAs和In0.53GaAs的生長(zhǎng)速度分別為0.350和0.273 nm s。在生長(zhǎng)過(guò)程中，InP襯底以10 r min的速度水平旋轉(zhuǎn)。整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程由反射高能電子衍射(RHEED)監(jiān)控，以保證良好的二維生長(zhǎng)。23232424 阱寬的改變雖沒(méi)有對(duì)總的載流子濃度帶來(lái)顯著影響，但是隨著阱寬的增加電子逐漸占據(jù)遷移率高的激發(fā)態(tài)能級(jí)。當(dāng)寬度