第五章。射频化合物半导体技术.ppt

化合物半导体材料技术进展——实现功能结构材料的完美生长 异质结器件用功能材料的能力 ? “能带工程”设计的异质结构器件： 异质层厚度——nm级及以下 异质界面——单原子层完美过渡 相邻异质层的掺杂浓度差——超过5个数量级 ? 外延生长技术的巨大突破——“功能材料”： 分子束外延（MBE） 金属有机源化学汽相外延（MOCVD、MOVPE） 二元——多元 使用功能材料大大简化异质结构器件的加工复杂性： ☆ 保证了异质结器件设计的可实现性 ☆ 器件纵向尺寸（10 -3?m精度） □ III-V族化合物半导体的禁带宽度Eg与晶格常数a关系图 分子束外延（MBE） MBE生长原理及设备 有机金属源化学汽相淀积（MOCVD） MOCVD系统工作原理 采用改性层（Metamorphic）技术实现基本半导体材料间的异质生长 ? 目的： ? 克服原有衬底材料特性的缺点 ? 避免使用昂贵衬底材料：降低成本 ? 根据器件与IC设计要求实现衬底及外延层的综合利用 ? 实现不匹配晶体之间的单晶层外延 ? 发展中技术： ? Si衬底上外延GaAs、 GaN 、 SiC ? GaAs衬底上外延InP ? 蓝宝石衬底上外延GaN、SiC ? …… III-V高温半导体技术 III-V高温半导体技术发展的动力 ? 对于固态大功率发射源的持续而又急迫需求 固态源优势：小体积、长寿命、高可靠、轻重量 （满足军事武器系统及民用微波发射设备的特殊要求） 固态源缺点：功率小、效率低 原因：载流子输运特性、器件能承载的输入功率电平（电流、电压）、散热特性 ? 降低制造成本的要求 III-V宽禁带半导体的主要优点 强场下高电子漂移速度：高频、大电流 大禁带宽度：高温下保持器件的正常工作 高热导率：大功率下保持较低的结温 高击穿电场强度：提高器件外加电压来提高输出功率 主要III-V半导体基本特性比较 Si GaAs GaN 4H-SiC 禁带宽度（eV） 1.11 1.43 3.4 3.2 相对介电常数 11.8 12.8 9.0 9.7 击穿电场（V/cm） 6E5 6.5E5 35E5 35E5 电子饱和速度（cm/s） 1E7 1.2E7 1.5E7 2E7 迁移率（cm2/Vs） 1350 6000 1000 800 热导率（W/cmK） 1.5 0.46 1.7 4.9 GaN高温半导体技术 ? 共同特点——宽禁带半导体材料：高温工作（? 400?C）、高热导（减小重量、尺寸） ? GaN 器件特点：异质结构——提高电子输运特性 ? 进展：固态微波大功率源：军事电子系统功率发射、 民用基站功放模块 GaN ——X波段：单管 10 （CW） 脉冲 7 W/mm，PAE 62% 军用现代相控 阵雷达 1.8-2.2 GHz：22 W（CW），17 Db 移动通信基站用 2 GHz：108 W CW 移动通信基站用 基站用GaN HEMT功放模块 美国Cree Microwave 频段：2 GHz 输出功率：22 W（CW） 增益：17 dB 频带：400 MHz 2个GaN 功率管 化合物半导体射频（微波）集成技术：微波单片集成电路（MMIC） III-V族化合物半导体适于MMIC应用的性能因素 ? GaAs类化合物半导体中载流子更优异的输运特性：器件及IC的工作频率可进入微波毫米波频段 ? GaAs类化合物半导体体材料的半绝缘特性：可作为较理想的微波电路基板材料 ? GaAs类化合物半导体材料的优良的IC加工性能：可以解决微波频段IC（MMIC）的制造难题 GaAs与Si基本特性的比较 特性 GaAs Si 半绝缘性 是 否 衬底电阻（Ohm-cm） 10E7-10E9 10E2-10E3 介电常数 12.9 11.7 电子迁移率（cm2/V·s） 6000-8000 700 饱和电子速度（cm/s） 1.3×10E7 9×10E6 器件最高工作温度（?C） 250 ?200 抗辐照能力 优异 差 热导率（W/cm·?C） 0.46 1.45 Si IC的演变：MMIC的特殊性 ? 微波电路的多样性导致使用的器件种类名目繁多—— 寻求与Si-MOS相似的“统一”器件： （利用GaAs类MESFETs在微波电路应用时的多功能性：解决 MMIC中微波器件的结构平面化与设计简化问题） ? 应用频率（RF及