GaN基微波半導體器件分析和比較

寬禁帶半導體材料氮化鎵（GaN）以其良好的物理化學和電學性能成為繼第一代元素半導體硅（Si）和第二代化合物半導體砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷化銦（InP）等之后迅速發展起來的第三代半導體材料。與目前絕大多數的半導體材料相比，GaN 具有獨特的優勢：禁帶更寬、飽和漂移速度更大、臨界擊穿電場和熱導率更高，使其成為最令人矚目的新型半導體材料之一。目前，GaN 基發光器件的研究已取得了很大進展[1~ 3] ，在國外工作于綠光到紫光可見光區內的GaN LED 早已實現了商業化[2]；國內多家單位成功制作了藍色發光二極管，并初步實現了產業化[3]。而眾多的研究[4~ 14] 表明，GaN 材料在制作耐高溫的微波大功率器件方面也極具優勢。筆者從材料的角度分析了GaN 適用于微波器件制造的原因，介紹了幾種GaN 基微波器件最新研究動態，對GaN 調制摻雜場效應晶體管（MODFETs）的工作原理以及特性進行了具體分析，并同其他微波器件進行了比較，展示了其在微波高功率應用方面的巨大潛力。

1、材料特性

GaN 基微波器件所展現出的良好性能與其基礎材料特性是密不可分的。從表1 可看出，與Si、GaAs 和SiC 相比，GaN 的禁帶寬度最寬、擊穿電場最高、熱導性也明顯優于Si 和GaAs，充分表明GaN 材料在微波大功率器件制造方面所具有的巨大的優勢。

表1、GaN 材料特性參數

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圖1是300 K 時GaN、Si、SiC 以及GaAs 的電子漂移速度同電場的關系。從圖中可看出GaN 的電子飽和漂移速度明顯高于其他材料，表明GaN 非常適于制造高功率、大電流器件[15]。另一方面，GaN 具有較高的電子遷移率（體材料中為1 000 cm/（V·s）），使得在制造GaN 微波器件時會產生低的寄生和通道電阻，從而獲得具有良好特性的器件。此外，作為直接帶隙半導體材料，GaN 與AlN 可形成帶隙從3.4 eV到6.2 eV連續變化的合金，形成可摻雜、可調制的AlGaN/ GaN 異質結結構，利用這種結構形成的量子化二維電子氣（2DEG）效應可以獲得更高的電子遷移率和飽和電子漂移速度。目前，AlGaN/ GaN 異質結構正逐步被應用于微波器件制造領域。筆者對AlGaN/ GaN 異質結和AlGaAs/ GaAs 異質結的一些重要參數進行了比較，見表2。從表中可看出，AlGaN/GaN 異質結結構比AlGaAs/ GaAs 異質結具有明顯的材料優勢，更適于微波應用。西安電子科技大學利用MOCVD 分別在藍寶石和SiC 襯底上生長出優質的AlGaN/ GaN 異質結材料，目前在藍寶石上得到的該材料室溫下2DEG 的遷移率與面電荷密度積已經達到2X1016/（V·s）。

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圖1、300K 時GaN、Si、SiC 及GaAs電子漂移速度同電場的關系?

表2、AlGaN/ GaN 異質結與AlGaAs/ GaAs 異質結關鍵參數的比較

2、GaN基微波器件

低的熱產生率和高的擊穿電場已經使GaN 成為研究和制造微波高功率器件的重要半導體材料。目前，隨著生長技術的不斷發展以及薄膜生長關鍵技術的突破，多種GaN 異質結構已被成功地生長出來，包括金屬半導體場效應晶體管（MESFET）、異質結場效應晶體管（HFET）、調制摻雜場效應晶體管（MODFET）以及金屬絕緣場效應晶體管（MISFET）等微波器件。

2.1、MESFETs

采用寬禁帶半導體GaN 制作MESFET，具有廣闊的微波功率放大的應用前景。人們通常直接利用GaN 具有寬的禁帶及簡單的制造工藝優勢，采用傳統的MESFETs 基本理論制造GaN MESFETs。

1993 年，Khan 等人[16] 采用低壓MOCVD 方法在藍寶石襯底上首次制造了GaN MESFET。他們采用薄的AlN 層作為緩沖層以提高GaN 膜的質量，用Ti/ Au 作為源漏歐姆接觸，銀作為柵肖特基，分別用H+ 離子注入和離子束腐蝕臺面，實現器件的隔離。最終獲得的器件柵長為1μm，在- 1V柵偏壓處的跨導為23mS/ mm。

隨后，S.C.Binari 等人[4] 報道了具有較好微波性能的GaN MESFETs。與以往不同之處在于，他們采用有機物金屬汽相外延技術在藍寶石襯底上生長一個無意識摻雜的GaN 外延層，剖面結構如圖2 所示。他們首先在襯底溫度為450℃時生長40 nm厚的AlN 緩沖層，隨后在1050℃的溫度下在緩沖層上生長了一個3m厚的無摻雜高電阻GaN 層。圖3 是S.C.Binari 等人所制造的0.7μm柵長器件的電流增益|h21| 和單邊增益U 隨頻率的變化曲線。從圖中可看出，其截止頻率f T 和最大振蕩頻率f max 為8GHz和17GHz。1997 年，S.C.Binari 等人[5]又研制了新型的GaN MESFETs，其源漏間距為5 μm，柵寬為150μm，柵長為0.7~ 2.0 μm。當柵長為1.5 μm時，MESFET 的最大跨導gm 為20mS/mm，最大漏電流IDSI 為120mA/ mm。當漏電流為1mA/ mm時漏偏壓為75V，S.C.Binari 預測其微波輸出功率將大于1W/ mm。另外，S.C.Binari 等人還預測隨著設計和工藝技術的提高，GaN MESFETs 的f T 將達到20~ 40 GHz。