InP基高电子迁移率晶体管

InP基高电子迁移率晶体管张兴双2014-01-052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23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InPHEMT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InPHEMT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。4发展历程41969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1μm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0.1μm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。55667788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。99InP基HEMTMMIC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。1010111112InP基HEMT的优势121313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。1414GaAs、GaN和InP为主要的III-V族化合物半导体材料。一般认为40~50GHz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。1515161617•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,而过大的掺杂浓度必然导致平行电导的出现。电子转移效率主要受势垒层及隔离层厚度影响并已经得到了系统的研究。量子阱宽度对量子阱中电子在不同能级之间的分布以及对材料宏观的2DEG浓度和迁移率的影响对于进一步优化InP基HEMT器件极为重要，可是至今还缺乏这方面系统的实验研究。1818InP基InGaAs、InAlAsHEMT与传统的GaAs基AlGaAs、GaAsHEMT材料相比，具有更高的电子迁移率和电子饱和速度以及更大的二维电子气(2DEG)面密度，成为目前超高速器件的优先选择。特别是InP基的In0.53GaAs，In0.52AlAsHEMT材料，由于属于晶格匹配体系而使材料在分子束外延(MBE)过程中可以生长出良好的晶体质量，具有优良的性能，而被应用于毫米波低噪声功率放大器领域。InP基In0.53GaAs/In0.52AlAs高电子迁移率晶体管InP基HEMT的特征1919InP基HEMT的特征HEMT也是FET，如GaAs基的HEMT。采用GaAs/n-AlGaAs结构，用选择掺杂(也叫调制掺杂)的异质结结构FET，GaAs为电子输运区，n-AlGaAs为电子供给层。由于异质结在空间上是分开的，消除了离化施主杂质的散射,故噪声系数可以有效地降低。在提高频率、降低噪声方面，InP基材料都远远优于GaAs。沟道层是InxGa1-xAs，沟道层下面是n-AlGaAs的缓冲层,再下面是InP基板。上面是极薄的InAlAs隔离层，再上面是电子供给层n-InAlAs，其上是n-InGaAs，然后是源、漏、栅电极。一般沟道InGaAs的组份是In0.53Ga0.47As。当X0.53时，一般取0.7，即In0.7Ga0.3As时的结构，叫高InHEMT，也叫膺结构HEMT,室温下,它的电子迁移率是普通HEMT的1.5倍以上。所以在实际应用中，都是以高InHEMT(又称为P-HEMT)结构来进行超高速器件的设计和生产。20器件性能20有关InP基HEMT的特性，最初的报道在1980年。1998年，InP基HEMT的栅长为0.06μm时，fmax频率达127GHz。2001年，采用T字形栅结构，栅长Lg=0.03μm,fT=352GHz，fmax=523GHz，跨导Gm=1100ms/mm。由于InP基HEMT的频率特性反比于栅长，所以在提高电子迁移率的同时，缩短栅长是十分必要的。因而需要昂贵的光刻设备,如电子束曝光、离子束曝光等。层结构的生长需用MBE(分子束外延)和MOCVD(有机金属气相淀积)，栅图形的制作、各层的膜组份、厚度、掺杂等都需要精密的控制。所以MBE比较适合超高速器件的晶体生长。2121用EPIGENⅡ型MBE系统，采用高纯In，Ga，Al和Si源，在半绝缘Fe掺杂的InP衬底(100)方向外延生长晶格匹配的InP基HEMT器件材料，量子阱宽度10,15,20,25,35nm分别对应样品编号为A,B,C,D,E的5个样品。在用磁输运测量表征半导体载流子输运性能中，Shubnikov-deHaas(SdH)振荡测量是一种有效的方法。SdH振荡能给出量子阱中各子带2DEG的精确信息。样品制备2222在材料生长之前，需要在500℃，As气压为1.33×105Pa时去除InP衬底表面的氧化层。然后生长350nmIn0.52AlAs缓冲层，接着是厚度为10—35nm的In0.53GaAs沟道层也就是量子阱层，对于不同的样品量子阱层的厚度也各不相同。经4nm的In0.52AlAs隔离层后，进行Si的n型δ掺杂，其掺杂浓度为5×1012cm-2。最后生长In0.52AlAs势垒层和In0.53GaAs帽层。其中In0.52AlAs和In0.53GaAs的生长速度分别为0.350和0.273nms。在生长过程中，InP衬底以10rmin的速度水平旋转。整个生长过程由反射高能电子衍射(RHEED)监控，以保证良好的二维生长。23232424阱宽的改变虽没有对总的载流子浓度带来显著影响，但是随着阱宽的增加电子逐渐占据迁移率高的激发态能级。当宽度为20nm时，处在第一激发态上的电子数与处在基态上的电子数之比达到最大值(0.24)，此时材料的迁移率最大。说明这一量子阱宽度是制作InP基In0.53GaAsIn0.52AlAsHEMT器件的最佳选择。2526262727282930313132333334353536373738393940414142434344454647484950515253545556575859