分析方法及化合物半導(dǎo)體器件

TRACEANALYSIS:SOLUTIONBASEDVSDIRECTSOLIDSAMPLING痕量分析：溶液樣品和固體樣品仲月瑤（輝光放電質(zhì)譜法）感應(yīng)耦合等離子體-質(zhì)譜儀電感耦合等離子體發(fā)射光譜原子吸收光譜X射線熒光光譜儀InP基高電子遷移率晶體管仲月瑤主要內(nèi)容1、發(fā)展背景以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2、InP基HEMT的優(yōu)勢3、InP基In0.53GaAs/In0.52AlAs高電子遷移率晶體管憑借優(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。在眾多的III-V族化合物半導(dǎo)體器件中，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，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InPHEMT還受到材料昂貴且易碎等方面的制約，但是憑借優(yōu)異的高頻特性和低噪聲性能，被公認為是實現(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，無論是滿足軍事國防需求還是提高我國在未來信息市場的競爭力，獨立研發(fā)高頻InPHEMT器件是非常必要的。發(fā)展背景

國外4英寸InP基器件工藝線已成熟并達到制造商業(yè)產(chǎn)品的水準,而我國InP基材料、器件和電路研究起步較晚,無論是器件還是電路性能和國外先進水平相比都存在很大的差距。InP毫米波技術(shù)的缺失,直接制約著我國武器裝備的發(fā)展。InP

基HEMT的優(yōu)勢化合物半導(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。其優(yōu)越特性源于獨特的能帶結(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遷移率和飽和漂移速度。另外，HEMT是平面結(jié)構(gòu)器件，實現(xiàn)工藝比HBT簡單得多。InP基InGaAs、InAlAsHEMT與傳統(tǒng)的GaAs基AlGaAs、GaAsHEMT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。GaAs、GaN和InP為主要的III-V族化合物半導(dǎo)體材料。一般認為40~50GHz范圍內(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，溫度更低，可有較大的輸出功率。相對于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。InP基In0.53GaAs/In0.52AlAs高電子遷移率晶體管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)過程中可以生長出良好的晶體質(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。器件性能由于InP基HEMT的頻率特性反比于柵長，所以在提高電子遷移率的同時，縮短柵長是十分必要的。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)的生長需用MBE(分子束外延)和MOCVD(有機金屬氣相淀積)，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。樣品制備用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)方向外延生長晶格匹配的InP基HEMT器件材料，量子阱寬度10,15,20，25,35nm。在材料生長之前，需要在500℃，As氣壓為1.33×105Pa時去除InP襯底表面的氧化層。然后生長350nmIn0.52AlAs緩沖層，接著是厚度為10-35nm的In0.53GaAs溝道層也就是量子阱層，對于不同的樣品量子阱層的厚度也各不相同。經(jīng)4nm的In0.52AlAs隔離層后，進行Si的n型δ摻雜，其摻雜濃度為5×1012cm-2。最后生長In0.52AlAs勢壘層和In0.53GaAs帽層。其中In0.52AlAs和In0.53GaAs的生長速度分別為0.350和0.273nms。在生長過程中，InP襯底以10rmin的速度水平旋轉(zhuǎn)。整個生長過程由反射高能電子衍射(RHEED)監(jiān)控，以保證良好的二維生長溝道層是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)X>0.53時，一般取0.7，即In0.7Ga0.3As時的結(jié)構(gòu)，叫高InHEMT，也叫膺結(jié)構(gòu)HEMT,室溫下,它的電子遷移率是普通HEMT的1.5倍以上。所以在實際應(yīng)用中，都是以高InHEMT(又稱為P-HEMT)結(jié)構(gòu)來進行超高速器件的設(shè)計和生產(chǎn)。阱寬的改變雖沒有對總的載流子濃度帶來顯著影響，但是隨著阱寬的增加電子逐漸占據(jù)遷移率