第五章射頻化合物半導(dǎo)體技術(shù)

射頻III-V族化合物

半導(dǎo)體技術(shù)2003.10 成都內(nèi)容限定化合物：元素半導(dǎo)體……（Ga,Te,Se,Ge,Si…..)III-V族：SiGe、SiC、II-VI族半導(dǎo)體……射頻（RF）：光、熱、敏感、低頻……實用性成熟：低維結(jié)構(gòu)（量子點、量子線、量 子諧振隧穿……）ABCS（銻化物基半導(dǎo)體）內(nèi)容 III-V化合物半導(dǎo)體特性的吸引力與發(fā)展歷程 微波應(yīng)用對半導(dǎo)體特性潛力的挖掘 器件設(shè)計：“摻雜工程”——“能帶工程” 材料制造技術(shù)：基礎(chǔ)材料——“功能材料” III-V寬禁帶高溫半導(dǎo)體技術(shù) III-V化合物微波單片集成電路技術(shù) 結(jié)論III-V化合物半導(dǎo)體的特性優(yōu)勢與發(fā)展歷程III-V化合物半導(dǎo)體的主要吸引力材料的多元性（二元、三元及多元）：大大地提高器件設(shè)計的靈活性與性能優(yōu)化的潛力更高品質(zhì)的載流子輸運特性：滿足高頻、高速器件的基本要求直接能隙半導(dǎo)體：光電子發(fā)射高頻、高速、微波、光電應(yīng)用電路的一體化：對全功能性材料的追求——單片化多功能集成電路技術(shù)

III-V化合物半導(dǎo)體發(fā)展歷程化合物半導(dǎo)體的歷史與元素半導(dǎo)體同樣悠久發(fā)展遇到的最大困難是材料生長的困難化合物材料技術(shù)的發(fā)展（晶片直徑、外延技術(shù)）直接推動新原理器件的誕生與應(yīng)用

中國的III-V化合物半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展始于1960年代前期GaAs、InP單晶體生長的難點

合成與生長：熔點溫度下高揮發(fā)（As、P） ——高蒸汽壓、純化學(xué)配比 高溫生長——坩堝沾污

高溫高壓——不完整性：缺陷、位錯

GaAs（InP）單晶拉制工藝：LEC、VB、VGF

機(jī)械強(qiáng)度——晶片加工與器件制造工藝?yán)щyIII-V半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展直接推動

器件與應(yīng)用的進(jìn)程：例外延技術(shù)（MBE、MOCVD）的發(fā)展直接推動化合物新型器件 的發(fā)展：

HBT——

1948Schokley提出不同半導(dǎo)體材料形成異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的原理 1957Kroemer提出完整的HBT設(shè)計理論 1977Konnzai等制造出第一個真正的GaAs/AlGaAsHBT

HEMT—— 1978Dingle用MBE生長出能產(chǎn)生2DEG的異質(zhì)結(jié)構(gòu) 1980Mimura等制造出第一個AlGaAs/GaAsHEMT材料合成與單晶拉制的困難制約著化合物器件與集成技術(shù)的發(fā)展：1967GaAsMESFET（單晶拉制技術(shù)的完善：1965LEC）1976GaAsMMIC（1-2英吋直徑單晶拉制及晶片加工：1970s初）III-V化合物半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展里程碑晶體合成與單晶拉制：GaAs：1956；InP：1968器件研究：GaAsGUNN1963三極管：GaAsMESFET1970異質(zhì)結(jié)三極管：GaAs：HBT1977；HEMT1980；PHEMT1985 InP：HEMT1987單片集成電路（MMIC）：GaAs

1976；InP

1990寬禁帶半導(dǎo)體三極管器件：GaNHEMT1993

寬禁帶MMIC：GaNHEMTMMIC2000我國III-V化合物半導(dǎo)體技術(shù)的歷程

GaAs單晶拉制：1961（1959）

GaAsGUNN二極管研制：1964（1963）

GaAsMESFET研制：1975（1970）

GaAsMESFETMMIC研制：1980（1976）

GaAs基HEMT研制：1984（1980）GaAs材料合成試驗：1959（1956）

GaNHEMT研制：1999（1993） RF與微波器件的工作機(jī)理推動對III-V半導(dǎo)體特性的深入挖掘利用射頻應(yīng)用對半導(dǎo)體特性、效應(yīng)的

深入挖掘 傳統(tǒng)（二極管、三極管）器件特性的充分利用：

I-V特性的利用：線性、非線性、大動態(tài)范圍

結(jié)電容特性的利用：線性、非線性

溝道電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的利用電子在高場下的漂移特性： 遷移率的非線性、電子飽和速度高能電子在強(qiáng)場下的特殊行為： 碰撞引起載流子倍增與雪崩倍增 導(dǎo)帶子能谷之間的電子谷間轉(zhuǎn)移微波半導(dǎo)體器件特性的非線性利用I-V特性的非線性區(qū)效應(yīng)： 產(chǎn)生信號頻率的諧波、分諧波成分—— 變頻、倍頻、分頻

Schottky二極管、檢波二極管、混頻二極管、 隧道二極管結(jié)電容的壓控特性： 改變諧振回路頻率及Q值——寬帶信號源

變?nèi)荻O管、階躍二極管溝道電導(dǎo)的非線性調(diào)制： 用于RF信號的衰減、限幅

PIN二極管、限幅二極管

電場下載流子行為：漂移與飽和電子極限速度：飽和速度vs微波器件性能：低場遷移率n與高場飽和速度vs的

綜合效應(yīng)MESFET、HEMT、PHEMT、HFET、MHEMT、HBT 高場下的電子運動：微波三極管中的尺寸效應(yīng)—— 亞微米柵（FET）、超薄基區(qū)（BT）III-V族化合物半導(dǎo)體的速場特性化合物半導(dǎo)體——導(dǎo)帶雙能谷：有效質(zhì)量不同“快”態(tài)電子、“慢”態(tài)電子高電場下躍遷：

快電子慢電子負(fù)微分遷移率（電子）高電場下電子進(jìn)入遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底的高能態(tài)—— 傳統(tǒng)的導(dǎo)帶底部低能態(tài)近似不再適用化合物半導(dǎo)體器件內(nèi)的高場效應(yīng)：

雪崩與體效應(yīng)（GUNN效應(yīng)）高能電子高速漂移運動引起的載流子碰撞、雪崩

IMPATT（雪崩二極管）高能電子在化合物半導(dǎo)體（GaAs、InP）導(dǎo)帶子能谷間 轉(zhuǎn)移

“快”電子——“慢”電子引起半導(dǎo)體內(nèi)的偶極子疇：

正效應(yīng)：GUNN效應(yīng)與器件 副效應(yīng)：干擾某些器件正常工作狀態(tài)

GUNN二極管（體效應(yīng)二極管）充分挖掘半導(dǎo)體內(nèi)載流子的各種特性：眾多的微波器件家族半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)開創(chuàng)了

“能帶工程”器件設(shè)計原理時代FETs：化合物vsSi

GaAs類FET特點：缺乏類SiO2穩(wěn)定氧化物 空穴遷移率遠(yuǎn)低于電子SiIII-V化合物結(jié)P/NSchottkybarrierP/N載流子電子，空穴電子器件結(jié)構(gòu)MOSMES，MIS器件內(nèi)部電場較弱較強(qiáng)互補(bǔ)電路CMOSE/D器件需采用不同工作原理——GaAs（InP）基金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFETs）化合物器件：從MOSFET到MESFET化合物半導(dǎo)體缺乏具有良好加工性能的氧化物鈍化層 必須采用非MOSFET型器件MOS結(jié)構(gòu)MES結(jié)構(gòu)（金屬半導(dǎo)體接觸勢壘） 化合物半導(dǎo)體（GaAs、InP）較大的Eg優(yōu)異的 Schottky勢壘特性類MOSFET的MESFET： 柵下MOS電容電位控制柵下溝道厚度的耗盡控制異質(zhì)結(jié)器件的崛起：化合物半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)FET及BJT原理的突破同質(zhì)材料結(jié)構(gòu)異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)： 器件原理與特性的飛躍異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件設(shè)計優(yōu)化： 傳統(tǒng)的擴(kuò)散、注入、合金、氧化：摻雜工程 異質(zhì)層結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化及外延：能帶工程實例1：高電子遷移率晶體管（HEMT）雙平面摻雜PHEMT層結(jié)構(gòu)示意2DEG層膺配HEMT剖面示意HEMT工作原理n-AlGaAsi-GaAsHEMT的原理特點AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶不連續(xù)性：GaAs一側(cè)形成量子勢阱，摻雜層內(nèi)電子轉(zhuǎn)移到阱內(nèi)形成高面密度的二維電子氣（2DEG）摻雜層與2DEG層的空間分離，降低雜質(zhì)離子的庫侖散射：提高2DEG的遷移率解決了：器件工作區(qū)內(nèi)增加載流子濃度與提高載流子遷移率的矛盾——體現(xiàn)微波頻率下工作HEMT的優(yōu)異特性實例2：HBT

npn-HBT剖面示意npn-HBT層結(jié)構(gòu)示意HBT的原理特點異質(zhì)EB發(fā)射結(jié)：寬能隙發(fā)射區(qū)、窄能隙基區(qū)HBT的原理特點異質(zhì)EB結(jié)的能帶差ΔEg增加了改變發(fā)射結(jié)注入比的手段：

max=(Ne/Pb)(vnb/vpe)exp(Eg/kt)在保持高發(fā)射結(jié)注入效率的前提下通過發(fā)射區(qū)、集電區(qū)低摻雜、基區(qū)高摻雜實現(xiàn)降低Rb、Ce、Cc：提高HBT的工作頻率fmax解決：雙極晶體管提高頻率與增加增益間矛盾——體現(xiàn)微波頻率下工作HBT的優(yōu)異特性異質(zhì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)對化合物半導(dǎo)體器件的影響：MESFET類異質(zhì)器件采用異質(zhì)Spike摻雜改進(jìn)MESFET溝道雜質(zhì)分布以提高器件功率輸出時的效率與線性度采用大能隙異質(zhì)勢壘層（AlGaAs）提高M(jìn)ESFET的Schottky勢壘特性以改進(jìn)器件頻率與增益采用電子輸運特性更優(yōu)異的異質(zhì)溝道層材料（InGaAs）以全面提高M(jìn)ESFET及HEMT的高頻特性（頻率、增益、功率、效率）采用復(fù)合異質(zhì)溝道層（如GaAs/InGaAs）或多層脈沖摻雜溝道層通過同時提高載流子的輸運特性及溝道載流子濃度以改善器件的頻率與功率輸出特性異質(zhì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)對化合物半導(dǎo)體器件的影響：HBT類異質(zhì)器件采用窄能隙（GaAs、InGaAs）基區(qū)利用異質(zhì)發(fā)射結(jié)效應(yīng)全面改進(jìn)BJT的高頻特性（、fT、fmax）采用雙異質(zhì)結(jié)（EB發(fā)射結(jié)、CB集電結(jié)）進(jìn)一步改善集電結(jié)輸運特性利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)的選擇腐蝕性（自停止腐蝕性，如InGaP與GaAs）實現(xiàn)HBT工藝中結(jié)平面的精確定位（10-1nm精度）利用高鈍化特性的異質(zhì)生長層（如InGaP）實現(xiàn)HBT發(fā)射結(jié)的低界面態(tài)表面鈍化保護(hù)化合物異質(zhì)器件設(shè)計：能帶工程異質(zhì)半導(dǎo)體器件的設(shè)計：能帶工程—— Schroedinger方程+Poisson方程 異質(zhì)界面間的電子轉(zhuǎn)移—— 波函數(shù)、子能級、態(tài)密度：2DEG面密度 異質(zhì)半導(dǎo)體器件的設(shè)計參數(shù)—— 層結(jié)構(gòu)、厚度、摻雜濃度 異質(zhì)半導(dǎo)體器件設(shè)計的實現(xiàn)—— 密切結(jié)合異質(zhì)材料生長工藝：功能材料同質(zhì)半導(dǎo)體器件的設(shè)計：摻雜工程——Poisson方程化合物半導(dǎo)體材料技術(shù)進(jìn)展——實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)材料的完美生長異質(zhì)結(jié)器件用功能材料的能力“能帶工程”設(shè)計的異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件： 異質(zhì)層厚度——nm級及以下 異質(zhì)界面——單原子層完美過渡 相鄰異質(zhì)層的摻雜濃度差——超過5個數(shù)量級外延生長技術(shù)的巨大突破——“功能材料”： 分子束外延（MBE） 金屬有機(jī)源化學(xué)汽相外延（MOCVD、MOVPE）

二元——多元

使用功能材料大大簡化異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的加工復(fù)雜性：

☆保證了異質(zhì)結(jié)器件設(shè)計的可實現(xiàn)性

☆器件縱向尺寸（10-3m精度）□III-V族化合物半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg與晶格常數(shù)a關(guān)系圖分子束外延（MBE）MBE生長原理及設(shè)備有機(jī)金屬源化學(xué)汽相淀積（MOCVD）MOCVD系統(tǒng)工作原理采用改性層（Metamorphic）技術(shù)實現(xiàn)基本半導(dǎo)體材料間的異質(zhì)生長目的： 克服原有襯底材料特性的缺點 避免使用昂貴襯底材料：降低成本 根據(jù)器件與IC設(shè)計要求實現(xiàn)襯底及外延層的綜合利用 實現(xiàn)不匹配晶體之間的單晶層外延發(fā)展中技術(shù)： Si襯底上外延GaAs、GaN、SiC GaAs襯底上外延InP 藍(lán)寶石襯底上外延GaN、SiC

……III-V高溫半導(dǎo)體技術(shù)III-V高溫半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的動力對于固態(tài)大功率發(fā)射源的持續(xù)而又急迫需求

固態(tài)源優(yōu)勢：小體積、長壽命、高可靠、輕重量 （滿足軍事武器系統(tǒng)及民用微波發(fā)射設(shè)備的特殊要求）

固態(tài)源缺點：功率小、效率低原因：載流子輸運特性、器件能承載的輸入功率電平（電流、電壓）、散熱特性降低制造成本的要求III-V寬禁帶半導(dǎo)體的主要優(yōu)點

強(qiáng)場下高電子漂移速度：高頻、大電流大禁帶寬度：高溫下保持器件的正常工作高熱導(dǎo)率：大功率下保持較低的結(jié)溫高擊穿電場強(qiáng)度：提高器件外加電壓來提高輸出功率主要III-V半導(dǎo)體基本特性比較SiGaAsGaN4H-SiC禁帶寬度（eV）1.111.433.43.2相對介電常數(shù)11.812.89.09.7擊穿電場（V/cm）6E56.5E535E535E5電子飽和速度（cm/s）1E71.2E71.5E72E7遷移率（cm2/Vs）135060001000800熱導(dǎo)率（W/cmK）1.50.461.74.9GaN高溫半導(dǎo)體技術(shù)共同特點——寬禁帶半導(dǎo)體材料：高溫工作（ 400C）、高熱導(dǎo)（減小重量、尺寸）GaN器件特點：異質(zhì)結(jié)構(gòu)——提高電子輸運特性進(jìn)展：固態(tài)微波大功率源：軍事電子系統(tǒng)功率發(fā)射、 民用基站功放模塊

GaN——X波段：單管>10（CW） 脈沖7W/mm，PAE62%軍用現(xiàn)代相控 陣?yán)走_(dá) 1.8-2.2GHz：22W（CW），17Db移動通信基站用 2GHz：108WCW移動通信基站用

基站用GaNHEMT功放模塊美國CreeMicrowave頻段：2GHz輸出功率：22W（CW）增益：17dB頻帶：400MHz

2個GaN功率管

化合物半導(dǎo)體射頻（微波）集成技術(shù)：微波單片集成電路（MMIC）III-V族化合物半導(dǎo)體適于

MMIC應(yīng)用的性能因素GaAs類化合物半導(dǎo)體中載流子更優(yōu)異的輸運特性：器件及IC的工作頻率可進(jìn)入微波毫米波頻段GaAs類化合物半導(dǎo)體體材料的半絕緣特性：可作為較理想的微波電路基板材料GaAs類化合物半導(dǎo)體材料的優(yōu)良的IC加工性能：可以解決微波頻段IC（MMIC）的制造難題GaAs與Si基本特性的比較特性GaAsSi半絕緣性是否襯底電阻（Ohm-cm）10E7-10E910E2-10E3介電常數(shù)12.911.7電子遷移率（cm2/V·s）6000-8000700飽和電子速度（cm/s）1.3×10E79×10E6器件最高工作溫度（C）250200抗輻照能力優(yōu)異差熱導(dǎo)率（W/cm·C）0.461.45 SiIC的演變：MMIC的特殊性 微波電路的多樣性導(dǎo)致使用的器件種類名目繁多—— 尋求與Si-MOS相似的“統(tǒng)一”器件：

（利用GaAs類MESFETs在微波電路應(yīng)用時的多功能性：解決 MMIC中微波器件的結(jié)構(gòu)平面化與設(shè)計簡化問題） 應(yīng)用頻率（RF及微波頻段）提高： “路”（集中元件）——“場”（電磁場）

設(shè)計復(fù)雜化：電磁場、寄生效應(yīng) 寄生效應(yīng)——元件的緊鄰效應(yīng) 電路基板“非理想性”MMIC：功能電路——微波頻率模擬ICMESFETsMESFET的大動態(tài)范圍的工作特性微波電路中 的“多面手”替代各種微波二極管微波電路可用單一種類MESFET組成大大簡化 MMIC的設(shè)計與制造復(fù)雜性MESFET的準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)+與微波無源元件制造工藝 的相容性最終解決MMIC的可制造性MMIC中使用的FETs的特殊性 SiICs：MOSFET的“導(dǎo)通”與“截止” 化合物MMICs：MESFET特性的不同區(qū)域——電路CAD設(shè)計用器件模型：十分復(fù)雜大動態(tài)范圍線性與非線性工作區(qū)微波頻率下的延遲效應(yīng)微波頻率下的寄生效應(yīng)異質(zhì)結(jié)新原理器件大幅度改進(jìn)

MMIC性能“三高”：高載流子輸運特性、高器件設(shè)計靈活性、高工作結(jié)溫

異質(zhì)結(jié)構(gòu)FETs：HEMT、PHEMT、MHEMT異質(zhì)結(jié)雙極型器件HBTs：單異質(zhì)結(jié)HBT、雙異 質(zhì)結(jié)HBT（DHBT）寬禁帶化合物半導(dǎo)體（GaN）的異質(zhì)結(jié)器件化合物微波異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢異質(zhì)結(jié)器件大大提高器件的工作頻率： GaAsPHEMTs：40-60GHz InPHEMTs：100GHz以上

通信、軍事應(yīng)用異質(zhì)結(jié)器件大大提高器件的運算