GaN器件修改版

1、GaN器件白樺林物理與微電子科學(xué)學(xué)院2012年12月GaN器件專題報(bào)告報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容GaN介紹GaN器件GaN器件的應(yīng)用總結(jié)GaN器件專題報(bào)告GaN介紹 GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SIC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。它具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)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(yīng)用方面有廣闊的應(yīng)用前景。GaN器件專題報(bào)告 GaN材料結(jié)構(gòu)圖1（

2、a）GaN纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu) 圖1（b）GaN閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)GaN器件專題報(bào)告GaN器件專題報(bào)告 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)(見圖1（a）)和立方對(duì)稱的閃鋅礦結(jié)構(gòu)（見圖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GaAs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)角線長度套構(gòu)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(bào)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(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?；瘜W(xué)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(cè)。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(bào)告 結(jié)構(gòu)特性 GaN器件專題報(bào)告GaN器件專題報(bào)告 Maruska和Tietjen首先精確地

4、測(cè)量了GaN直接隙能量為3.39eV。 電學(xué)特性 GaN的電學(xué)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(bǔ)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(dá)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(qiáng)度高、漏電流小，使其適于制作高壓器件。GaN器件專題報(bào)告 GaN材料的缺點(diǎn)與問題 在理論上由于其能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系，其中載

5、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)生長出的GaN單晶，還不太令人滿意，例如位錯(cuò)密度達(dá)到了1081010/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(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。GaN器件專題報(bào)告報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容GaN介紹GaN器件GaN器件的應(yīng)用總結(jié)Ga

6、N器件專題報(bào)告GaN器件的發(fā)展1970年，Pankove制作的MIS型GaN藍(lán)光LED。1992年被譽(yù)為GaN產(chǎn)業(yè)應(yīng)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(xué)：雙施主GaN MOSFET，南卡羅來納州立大學(xué)：SiC襯底上制造AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)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(bào)告1998年APA公司：高溫高效紫外線探測(cè)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(lán)光激光器，該激光器的穩(wěn)定性能相當(dāng)于商用紅光激光器。2007年，YukiNiiyama等人報(bào)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(jìn)入了實(shí)用階段。美國軍方也在2008、2009年度大力扶持GaN器件,目標(biāo)是在2010前,在L波段以上的軍事和空間應(yīng)用的電子器件轉(zhuǎn)向G aN器件GaN器件專題報(bào)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(lán)寶石或者SiC襯底上，由于藍(lán)寶石襯底的制造工藝比較成熟，也相對(duì)便宜，故廣泛被采用。GaN MOSFET器件設(shè)計(jì)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(jí)范圍內(nèi)，柵級(jí)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(jié)構(gòu)示意圖GaN器件專題報(bào)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??；器件隔離；

9、歐姆接觸和柵極肖特基接觸等等。下面是圖a所示結(jié)構(gòu)的GaN主要工藝流程： u在藍(lán)寶石襯底上使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積（MOCVD）生長GaN外延；u采用低壓氣相化學(xué)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(hù)層，進(jìn)行離子注入si形成漏源重?fù)诫s；u離子注入完成之后，對(duì)器件進(jìn)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(bào)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(shè)計(jì)方面，對(duì)于GaN MOSFET器件，缺乏性能良好的柵介質(zhì)材料。u計(jì)算機(jī)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(bào)告 GaN基MODFET： 雖然硅是研究得最多和最先進(jìn)的技術(shù)，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門使用了氮化鎵調(diào)制層。GaN器件專題報(bào)告 GaN基MODFET結(jié)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AlGaN層和一個(gè)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(bào)告GaN器件專題報(bào)告 GaN HEMT器件 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HEMT。之后，隨著AlGaN/GaN的單異質(zhì)結(jié)生長工藝和機(jī)理研究不斷成熟，作為GaN基HEMT主要結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HEMT器件的性能也一直在不斷提高。從1993到上世紀(jì)

12、末，AlGaN/GaN HEMT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，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu)的改進(jìn)。GaN器件專題報(bào)告圖 AlGaN/GaN HEMT基本結(jié)構(gòu)GaN器件專題報(bào)告 GaN基MISFET器件 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)如下圖所示。GaN器件專題報(bào)告 該器件的制作過程是在藍(lán)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(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(gè)摻雜的GaN層和一個(gè)未摻雜的AlGaN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MISFET效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。GaN器件專題報(bào)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(fù)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(jié)GaN藍(lán)色LED之后，InGaN/AlGaN

14、雙異質(zhì)結(jié)超亮度藍(lán)色LED、InGaN單量子阱GaN LED相繼問世。目前，2cd和6cd單量子阱GaN藍(lán)色和綠色LED已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段。 在探測(cè)器方面，已研制出GaN紫外探測(cè)器，波長為369nm，其響應(yīng)速度與Si探測(cè)器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN探測(cè)器將在火焰探測(cè)、導(dǎo)彈預(yù)警等方面有重要應(yīng)用。GaN器件專題報(bào)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(duì)其的研究、開發(fā)和制造已成為目前國際半導(dǎo)體領(lǐng)域中的熱點(diǎn)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(xué)與研究所進(jìn)行GaN材料、工藝和光電器件開發(fā)的研究。 GaN基稀磁半導(dǎo)體 稀磁半導(dǎo)

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(dǎo)體中的陽離子所形成的新的一類半導(dǎo)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(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(dǎo)體候選材料。GaN器件專題報(bào)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(jié)構(gòu)(凹柵槽與T型柵相結(jié)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(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MAG達(dá)到13. 26dBm)是國內(nèi)目前相關(guān)研究中已知的最高頻性能。GaN器件專題報(bào)告圖a 最高截止頻率fT=104.3GHzGaN器件專題報(bào)告圖b 最高振蕩頻率fmax=160GHzGaN器件專題報(bào)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(yīng)用，如取代白熾燈照明；GaN器件專題報(bào)告 GaN器件的發(fā)展方向 目前，GaN器件

17、的各項(xiàng)指標(biāo)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(jìn)器件工程化、產(chǎn)品化。與此同時(shí)，建立成熟的器件工藝規(guī)范和器件模型，進(jìn)行大量的器件可靠性分析，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，改進(jìn)器件可靠性和重復(fù)使用率，可以推測(cè)，隨著材料物理研究的不斷深入和工藝技術(shù)的進(jìn)步，GaN基半導(dǎo)體材料與器件的研究將有更新的突破。GaN器件專題報(bào)告報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容GaN介紹GaN器件GaN器件的應(yīng)用總結(jié)GaN器件專題報(bào)告 GaN器件的應(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

18、于1970年,目前其在薄膜和單晶生長技術(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。 GaN器件專題報(bào)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(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,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(dá)升級(jí),并聲明很快就能用這些