1、GaN器件白桦林物理与微电子科学学院2012年12月GaN器件专题报告报告内容报告内容GaN介绍GaN器件GaN器件的应用总结GaN器件专题报告GaN介绍 GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗腐蚀能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有广阔的应用前景。GaN器件专题报告1.GaN材料结构图1
2、（a）GaN纤锌矿晶体结构 图1（b）GaN闪锌矿晶体结构GaN器件专题报告GaN器件专题报告 GaN材料具有两种晶体结构，分别为六方对称的纤锌矿结构(见图1（a）)和立方对称的闪锌矿结构（见图1（b）。通常条件下，GaN以六方对称性的纤锌矿结构存在，纤锌矿结构是由两套六方密堆积结构沿c轴方向平移5c/8套构而成，它的一个原胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。但在一定条件下也能以立方对称性的闪锌矿结构存在。闪锌矿结构则由两套面心立方密堆积结构沿对角线方向平移1/4对角线长度套构而成。这种现象在族氮化物材料中是普遍存在的,称为多型体现象(Polytypism)。GaN器件专题报告2.G
3、aN材料性质 GaN是一种很稳定的化合物并且显示了很强的硬度，它的宽禁带、高饱和速度以及高的击穿电压有利于制造成为微波功率器件。GaN在高温下的化学稳定性再结合其硬度特性,使氮化镓被制成了一种具有吸引力的防护涂层材料，有利于制造高温器件。化学特性 在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。GaN在HCl或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。GaN器件专题报告 结构特性 GaN器件专题报告GaN器件专题报告 Maruska和Tietjen首先精确
4、地测量了GaN直接隙能量为3.39eV。电学特性 GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为41016/cm3。一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。未掺杂载流子浓度可控制在10141020/cm3范围。另外，通过P型掺杂工艺和Mg的低能电子束辐照或热退火处理，已能将掺杂浓度控制在10111020/cm3范围。室温下其电子迁移率可以达到900 cm2/Vs，从而使其非常适于制做高速器件。另外，GaN材料电击穿强度高、漏电流小，使其适于制作高压器件。GaN器件专题报告3.GaN材料的缺点与问题 在理论上由于其能带结构的关系，其中载流
5、子的有效质量较大，输运性质较差，则低电场迁移率低，高频性能差。现在用异质外延（以蓝宝石和SiC作为衬底）技术生长出的GaN单晶，还不太令人满意，例如位错密度达到了1081010/cm2；未掺杂GaN的室温背景载流子（电子）浓度高达1017/cm3，并呈现出n型导电；虽然容易实现n型掺杂，但p型掺杂水平太低（主要是掺Mg），所得空穴浓度只有10171018/cm3，迁移率10cm2/V.s，掺杂效率只有0.1%1%。从整体来看，GaN的优点弥补了其缺点，而制作微波功率器件的效果还往往要远优于现有的一切半导体材料。GaN器件专题报告报告内容报告内容GaN介绍GaN器件GaN器件的应用总结GaN器件
6、专题报告一GaN器件的发展1970年，Pankove制作的MIS型GaN蓝光LED。1992年被誉为GaN产业应用鼻祖的美国Huji Nakaura教授制造了第一支GaN发光二极管。1993年，Khan等人首次制造了GaN MESFET1993年制造出第一只GaN基HEMT1997年 伊利诺斯大学：双施主GaN MOSFET，南卡罗来纳州立大学：SiC衬底上制造AlGaN/GaN异质结FET，GaN兰、绿发光和大功率射频源。1998年，F.Ren等人制造出第一只GaN MOSFET。GaN器件专题报告1998年APA公司：高温高效紫外线探测器，300高温环境下有效工作且灵敏度高。日本：白色高能
7、紫外发光管(LED),与荧光管相比，寿命为50100倍，功耗只有1/2。1999年日本ichia公司制造了第一支GaN蓝光激光器，该激光器的稳定性能相当于商用红光激光器。2007年，YukiNiiyama等人报道了GaN MOSFET器件可以在250高温下正常工作2008年TriQu int推出了Ku波段的100W芯片,使GaN器件进入了实用阶段。美国军方也在2008、2009年度大力扶持GaN器件,目标是在2010前,在L波段以上的军事和空间应用的电子器件转向G aN器件GaN器件专题报告二常见的GaN器件1.GaN基MOSFET 采用GaN制作的MOSFET在高温、高压以及大功率器件方面有
8、很好的发展前景。GaN单晶体材料主要生长在蓝宝石或者SiC衬底上，由于蓝宝石衬底的制造工艺比较成熟，也相对便宜，故广泛被采用。GaN MOSFET器件设计在厚度为2um的p型GaN材料上,以Mg作为受主杂质,浓度在1016-1018cm-3量级范围内，栅级氧化层厚度为10-100nm，栅长取值范围为0.8-5um之间，n+漏源区的掺杂浓度为3x1019cm-3,电极间距离Lgd=Lgs为0.5-3um。图a：GaN MOSFET 结构示意图GaN器件专题报告 基本的GaN MOSFET器件制造工艺与si基MOSFET器件工艺相似，主要包括衬底层的生长；源漏区的掺杂；栅介质层的选取；器件隔离；欧
9、姆接触和栅极肖特基接触等等。下面是图a所示结构的GaN主要工艺流程：u在蓝宝石衬底上使用金属有机化学气相淀积（MOCVD）生长GaN外延；u采用低压气相化学淀积（LPCVD）在GaN上淀积栅介质层sio2,淀积温度为900u淀积0.5umSiO2做保护层，进行离子注入si形成漏源重掺杂；u离子注入完成之后，对器件进行快速热退火，消除晶格损伤并激活杂质；u淀积形成源漏极接触和栅极接触；GaN器件专题报告 GaN MOSFET器件存在的问题：u工艺方面，GaN材料的p型掺杂一直没有得到很好的解决。u器件设计方面，对于GaN MOSFET器件，缺乏性能良好的栅介质材料。u计算机模拟方面，使用的描述G
10、aN材料的参数库并不完善，而且在模拟中使用的模型并不能代表GaN器件的现有研究状况GaN器件专题报告2.GaN基MODFET：虽然硅是研究得最多和最先进的技术，它不能在各种条件下表现出良好的性能。新的宽带隙半导体尤其是氮化镓（GaN）则弥补了硅的不足，成为实现超高功率和超高频微波应用的首选。氮化镓异质技术已用于研究高性能调制掺杂场效应晶体管（MODFET）和自对准MOS门使用了氮化镓调制层。GaN器件专题报告 GaN基MODFET结构是在GaN HEFT结构的基础上构建的。在HEFT结构上添加一个掺杂的AlGaN层和一个未掺杂的GaN层。这样做的目的是调制掺杂，优化了2DEG性能，从而提高2D
11、EG传输特性。Gate Al SiO2Drain AuSi Cap layerSi doped AlGaN 10nmUndoped AlGaN 10nmUndoped GaN 1mBuffer LayerSiC or Sapphire SunstrateSource AuGaN器件专题报告GaN器件专题报告3.GaN HEMT器件 在1992年制备成功具有2DEG的GaN基异质结后，1993年制造出第一只GaN基HEMT。之后，随着AlGaN/GaN的单异质结生长工艺和机理研究不断成熟，作为GaN基HEMT主要结构的AlGaN/GaN HEMT器件的性能也一直在不断提高。从1993到上世纪末，
12、AlGaN/GaN HEMT推动发展的机理主要是异质结性能的提高、工艺技术（如台面刻蚀、肖特基接触和欧姆接触）的逐步演变和不断改进以及热处理技术的不断成熟。而从2000年以后至今，AlGaN/GaN异质结材料的性能已趋于基本稳定，AlGaN/GaN HEMT器件性能的提高主要依靠工艺水平的提高和器件结构的改进。GaN器件专题报告图 AlGaN/GaN HEMT基本结构GaN器件专题报告4.GaN基MISFET器件 GaN金属-绝缘体-半导体场效应管可以采用OMVPE在蓝宝石衬底上制造,其剖面结构如下图所示。GaN器件专题报告 该器件的制作过程是在蓝宝石衬底上外延40nm的AlN，作为缓冲层，再
13、淀积3m的本征GaN、淀积6nm的AlN隔离层；最后淀积200nmGaN。源和漏分别利用Ti/Au和Ti/Al。这种结构具有漏电流小、栅压高的优点，可用于制作大功率微波器件。由于该MISFET利用Si3N4的绝缘体作为栅，代替肖特基栅。与GaN基MODFET类似，采用一个掺杂的GaN层和一个未掺杂的AlGaN层便达到了这一要求，由于栅介质材料为绝缘体，就形成MISFET效应晶体管结构。GaN器件专题报告5.GaN基光电器件 GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙复盖了从红色到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结GaN蓝色LED之后，InGaN/AlGaN双
14、异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaN LED相继问世。目前，2cd和6cd单量子阱GaN蓝色和绿色LED已进入大批量生产阶段。在探测器方面，已研制出GaN紫外探测器，波长为369nm，其响应速度与Si探测器不相上下。但这方面的研究还处于起步阶段。GaN探测器将在火焰探测、导弹预警等方面有重要应用。GaN器件专题报告二GaN器件的最新发展 最近十年来,GaN器件的研究飞速发展,对其的研究、开发和制造已成为目前国际半导体领域中的热点问题,并获得了巨大的发展,现在全球已有接近100家和200多所大学与研究所进行GaN材料、工艺和光电器件开发的研究。1.GaN基稀磁半导体 稀磁半导体(Di
15、luted Mag net ic Semico nductors,DMS)是一种由磁性过渡族金属离子或稀土金属离子部分替代非磁性半导体中的阳离子所形成的新的一类半导体材料,是制造自旋电子器件的重要材料。最近,Lee 等人研究了过渡金属掺杂的GaN稀磁半导体的价带劈裂。研究表明Fe、Co、Ni 或Cu 掺杂的GaN的价带具有长程自旋劈裂,掺杂的磁性离子之间具有长程的相互作用,成为最佳稀磁半导体候选材料。GaN器件专题报告2.毫米波GaN功率器件 微电子研究所微波器件与集成电路研究室研制成功了毫米波GaN功率器件。毫米波GaN功率器件采用的新结构(凹栅槽与T型栅相结合的方法),有效地缩短了栅长,并
16、降低了寄生电容。该器件的截止频率fT可达到104.3GHz(如图5),最高振荡频率fmax可达到160GHz(如图6)。其功率测试(30G下MAG达到13.26dBm)是国内目前相关研究中已知的最高频性能。GaN器件专题报告图a 最高截止频率fT=104.3GHzGaN器件专题报告图b 最高振荡频率fmax=160GHzGaN器件专题报告三 GaN基材料和器件制备方面存在的问题 GaN与基片的失配率很高；GaN的杂质浓度高，成品率低；GaN本身没有解理方向，破损率高；GaN器件的成本高，影响某些应用，如取代白炽灯照明；GaN器件专题报告四 GaN器件的发展方向 目前，GaN器件的各项指标都已非
17、常接近理论水平，但还有很多问题亟待解决，GaN器件未来的发展方向在于提高器件的可靠性，促进器件工程化、产品化。与此同时，建立成熟的器件工艺规范和器件模型，进行大量的器件可靠性分析，优化器件结构和工艺设计，改进器件可靠性和重复使用率，可以推测，随着材料物理研究的不断深入和工艺技术的进步，GaN基半导体材料与器件的研究将有更新的突破。GaN器件专题报告报告内容报告内容GaN介绍GaN器件GaN器件的应用总结GaN器件专题报告 GaN器件的应用 纵观GaN微电子器件的发展历程,并结合GaN材料的特性,可以看出其呈现出良好的发展势头,且已进入实用化阶段。GaN 半导体材料的商业应用始于1970年,目前
18、其在薄膜和单晶生长技术以及光电技术方面的突破达40多个。GaN的优异性能使GaN 微电子器件在高频、高速方面的应用有很大的潜力,可以在高温、高压下工作,且具备高功率输出的能力。GaN器件的广泛应用预示着光电信息甚至是光子信息时代的来临。如今,微电子器件正以指数式扩张的趋势发展,至今GaN器件在军用和民用方面都得到相当广泛的应用。GaN器件专题报告 在军用方面,由于GaN微电子器件可以在600-1100的温度范围内工作,其高频、大功率和强的抗辐射能力也占很大优势,从而得到了军事宇航领域的广泛重视。并且随着GaN器件技术的日渐成熟,宇航系统设备中会更多的使用GaN器件,使宇航系统的工作能力与可靠性
19、都得到最大限度的提升,国际上,美国雷声公司研发的基于GaN的收发组件,以用于未来雷达升级,并声明很快就能用这些收发组件取代那些对功率和性能要求日益提高的雷达元器件。在民用方面,GaN基器件的高频率和大功率的处理能力对于发展高级通信网络中的放大器、调制器以及其它关键器件都很重要。现在的第三代移动通信中的无线网络可使人们利用手机或其它便携式设备访问可支持高质量音频甚至视频应用的高速数据流。GaN器件专题报告 总结总结 由于宽禁带半导体材料GaN具有十分优良的材料性质。既能用于光电子器件，譬如，蓝光和蓝-绿光LED,激光器和探测器等，又能用于高功率/高温度微波电子器件和高击穿的特种器件。其应用范围如此广泛的材料实属难得，可以相信，在其相关领域中，它将会继续发出璀璨的光彩。谢 谢人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
