InP基高电子迁移率晶体管.pptx

InP基高电子迁移率晶体管 张兴双 2014-01-05 半导体发光材料的发光机理简介 半导体材料的分类 半导体材料的制备工艺简介 主要内容 2 发展背景 3 凭借优良的频率特性,III-V族化合物半导体器件和相关高频、高速电路正日 益成为毫米波系统核心部件,成为大家竞相研究的焦点。在众多的III-V族化合物 半导体器件中,磷化铟(InP)基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有电子迁移率 高、噪声低、功耗低及增益高等特点,在高速、高频等应用领域占据了重要的地 位。虽然目前InP HEMT还受到材料昂贵且易碎等方面的制约,但是凭借优异的高 频特性和低噪声性能,被公认为是实现超高速低噪声、功率放大电路的最佳选择, 拥有非常广阔的应用前景。因此,无论是满足军事国防需求还是提高我国在未来 信息市场的竞争力,我们必须首先独立研发高频InP HEMT器件。 随着社会的发展和技术的进步,宽带通信、高精度雷达和航空遥感等军民用领域对高频系统需求越来越迫切。 发展历程 4 1969年Easki和Tsu就提出:在异质结结构中,通过电离施主杂质和电子相分离的方式可实现高频HEMT器件。随着分子束外延(MBE)和有机金属化学气象淀积(MOCVD)等外延技术的突破,人们基于异质结结构制作出各种新型微电子和光电子器件。 1980年基于调制掺杂n-AlGaAs/GaAs异质结成功制作出首个HEMT器件。 1986年栅长为1 μm的InP基HEMT器件问世。 1989年Aust等人首次报道了基于赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)的单片微波集成电路(MMIC)。 1990年Smith等人基于InP基HEMT成功研制出首款两级低噪声MMIC。 近年来,随着电子束工艺的诞生,亚0.1 μm量级T型栅工艺使得HEMT器件向THz高频方向迅速发展,相关电路已经表现出向亚毫米波段迅猛发展的态势。 5 6 7 8 国外 4 英寸 InP 基器件工艺线已成熟并达到制造商业产品的水准,而我国 InP基材料、器件和电路研究起步较晚,至今没有一条专门的 InP 工艺线,无论是器件还是电路性能和国外先进水平相比都存在很大的差距。InP 毫米波技术的缺失,直接制约着我国武器装备的发展。不过近年来随着国家的重视和知识创新体系的建立,经过广大科研工作者的共同努力,该领域研究也取得了长足的进步。 9 InP 基 HEMT MMIC 研究的关键问题 首先是 InP 基 HEMT 噪声模型的问题,模型作为连接器件与电路之间的纽带,模型的准确性直接影响电路设计的准确性甚至成败。 其次,整个毫米波放大电路包含:InP 基 HEMT 单管、电阻、电容及电感等无件,工艺的准确性和重复性对电路性能至关重要。 最后是基于 InP 基 HEMT 器件的毫米波放大电路的设计与实现。 10 11 InP 基 HEMT 的优势 12 13 化合物半导体器件中最具代表性、最能完美显示异质结结构特点的高频器件是 HEMT 和异质结双极晶体管(HBT)。HEMT 器件不仅可获得高频、高功率特性,还具有低噪声的优点。其优越特性源于独特的能带结构,即异质结界面的导带不连续性,这种不连续性产生的二维电子气具有很高的低场迁移率和饱和漂移速度。另外,HEMT 是平面结构器件,实现工艺比 HBT 简单得多。因此 HEMT 器件被认为是微波/毫米波器件和电路领域中最具竞争力的三端器件。 14 GaAs、GaN 和 InP 为主要的 III-V 族化合物半导体材料。一般认为 40~50 GHz范围内,GaAs 器件及其电路因技术成熟、成本等方面的原因,占主要位置。而 75GHz 以上,InP 由于其独特的性能成为人们的首选。首先,InP 材料沟道电子迁移率高,工作频率更高,噪声性能更好。其次,相对于 GaAs 器件的 AlGaAs/InGaAs界面,InP 器件中的 InAlAs/InGaAs 界面存在更大的导带不连续性,二维电子气密度大,导电沟道的薄层电子浓度高,大大改善了器件的电流处理能力。相同工艺水平下,跨导更大,器件功率增益更大。再者,InP 材料的热导率比 GaAs 高 40%,在相同功耗工作时,温度更低,可有较大的输出功率。采用双凹槽和非对称沟槽、复合沟道技术,可更大程度地提高器件击穿特性。相对于 InP材料,成本和频率特性的限制成为 GaN 材料的软肋。因此在毫米波频段功率应用中,InP 基 HEMT 占有特殊的地位。 15 16 对于HEMT材料的器件研究，提高2DEG浓度和迁移率是至关重要。2DEG的浓度主要受异质结材料导带偏移量ΔEc和杂质掺杂浓度以及电子转移效率的影响。在材料一定的前提下，ΔEc就确定了,而过大的掺杂浓