GaAs工艺

MMIC发展背景及趋势李芹MMIC简介单片微波集成电路,是在半绝缘半导体衬底上用一系列的半导体工艺方法制备出无源和有源元器件,并连接起来构成应用于微波(甚至毫米波)频段的功能电路,具有尺寸小、重量轻、性能高、可靠性强等一系列优点。单片微波集成电路包括：低噪声放大器(LNA),功率放大器,混频器,上变频器,检波器,调制器,压控振荡器(VCO),移相器,开关,MMIC收发前端,甚至整个发射/接收(T/R)组件(收发系统).MMIC简介根据制作材料和内部电路结构的不同，MMIC可以分成两大类：一类是基于硅晶体管的MMIC，另一类是基于砷化镓场效应管（GaAsFET）的MMICGaAsFET的MMIC具工作频率高、频率范围宽、动态范围大、噪声低的特点，但价格较贵硅晶体管的MMIC性能优越、使用方便，而且价格低廉，因而应用非常广泛.MMIC简介MMIC开始主要应用于军用系统，如相控阵雷达、火箭与导弹的制导和电子对抗等系统。MMIC的采用，显著减少了设备的体积和重量，降低价，提高了性能，取得了很好的效果，例如在海湾战争中，美军灵巧武器中就已泛地采用了MMIC与MIMIC。90年代以来，MMIC在商用产品中开拓了广阔的市场。这主要是商用无线通信市场，它包括：语音、数据，图文与图像的各种通信，例如，蜂窝式个人通信，低轨道卫星移动通信，无线局域网，环球定位卫星系统，卫星直播电视和多点多址分布系统等。另一个重要的市场则是智能交通系统，它包括：车上移动通信，环球卫星位，道路交通状况的监测，汽车防撞毫米波雷达等。MMIC技术中的常用工艺与器件微波、毫米波半导体器件通常分为二端器件和三端器件两大类。国外二端器件（除少数毫米波IMPATT外）在20世纪70年代中期至80年代初就已相当成熟，各种检波管、混频管、变容管、PIN管、噪声管、耿氏管和崩越管等都早已陆续商品化和系列化三端器件，近年来获得很大的发展，首先是GaAsMESFET的输出功率增长极快，在微波各领域得到了日益广泛的应用MMIC技术中的常用工艺与器件由于分子束外延（MBE）、金属有机汽相淀积（MOCVD）等高质量超薄层生长技术以及亚微米微细加工技术的发展与进步，使1980年问世的高电子迁移率晶体管（HEMT）在结构上获得了不断创新，其频率、功率和低噪声性能大大提高，成为微波和毫米波器件的重要成员之一GaAlAs/GaAs外延生长技术的成熟，使1957年就提出的GaAs异质结双极晶体管（HBT）得以实现，且其性能不断提高。HBT在较高微波频率下具有Si双极晶体管在微波低端相似的性能，特别适合微波、毫米波功率应用GaAs器件的优点在GaAs中，传导电子迁移率（~6500cm2/V·s)比Si中(~1200cm2/V·s)大5倍，电子峰值漂移速度（2×106~8×106cm/s)比Si中大1倍，所在寄生电阻较小，跨导较大，电子在高场内渡越时间较短。因此GaAs器件可获得比Si更高的工作频率和放大增益，从而可能将双端口固态器件向毫米波扩散GaAs器件的优点Si、Ge材料本征电阻率不高，而GaAs有源层可生长在自身电阻率大于107Ω·cm的半绝缘衬底上，高电阻率衬底可把器件的有源区(例如GaAsMESFET中的导电沟道)隔离开，因而在微波单片集成电路中,无需采用诸如反偏置结这样的隔离方法实现器件的隔离，便于低损耗互连和高密度封装下的隔离，集成方便GaAs器件的优点GaAs器件的优点从器件结构和加工工艺上来说，需要精确控制的尺寸相对比较容易，也比较少（只有栅长和沟道厚度），因此便于实现微细加工以达到更高的性能，实现多种多样的FET结构和小型化等与二极管（如IMPAT，Gunn）相比，GaAs器件噪声低，效率高、使用方便。与双极型器件相比，GaAsMESFET不存在基区电导调制效应，因此线性较双极性器件好，三阶互调失真测试结果表明高5~10dB；GaAsMESFET是多子器件，而且栅下没有电荷存留的氧化层，因此本征上具有抗中子、γ光子辐照的能力，在导弹、核武器、航天使用中具有优越性MESFET工艺GaAs金属半导体场效应管（MESFET）是GaAs三端口器件最主要最基本的结构形式，这种结构包含单栅、双栅、低噪声和功率FET等。高电阻率(108Ω·cm)的本征GaAs材料作为衬底，在衬底上生长一层N型外延层，称为沟道。在沟道上方制作源极、栅极和漏极。在源极和漏极制作欧姆接触，而栅极由于金属和N型外延层接触形成肖特基势垒栅。在N型半导体内形成一层载流子完全被耗尽的薄层，这个薄层的作用就象一个绝缘区，它压缩了N层中可供电流流动的沟道截面积。改变栅极电压，沟道中的耗尽层将发生变化，可以有效地控制该薄层电流的流动。这个器件工作如同一个压控开关，有极高的调制速率MESFET工艺MESFET工艺生长在半绝缘GaAs抛光衬底上的GaAsFET共由四层组成：缓冲层、有源层、过渡区和帽层缓冲层：在衬底上首先生长缓冲层，它应当是高纯度的，只含有极少量的可迁移电子，能够避免有源层受到衬底缺陷、有害杂质和热转换的影响。生长缓冲层能够使有源层迁移率得到大幅度的改善MESFET工艺过渡区、有源层：在缓冲层上面生长有源层.为了得到大的跨导、电流和截止频率，要求有源层的na0大（n为载流子浓度，a0为有源层厚度），但是a0不利于缩小lg（lg/a03），n大不利于提高击穿电压。为缓解这种矛盾，先生长高浓度有源层的过渡区，再生长与肖特基接触的低浓度有源层，这样可同时兼顾跨导特性和击穿特性帽层：最后生长帽层，它的浓度达到1018cm-3，帽层厚度为500-1000埃，帽层的作用是降低欧姆接触电阻和串联电阻。MESFET工艺GaAsFET工艺独有的工艺有：栅挖槽、T形栅、背面减薄、通孔栅挖槽：这是形成FET肖特基结的工序之一，对FET的工艺成品率具有关键性的作用。它是指在GaAs表面沟道上部，用腐蚀方法形成比肖特基结宽的凹槽它的作用在于：饱和电流是FET的关键参数，栅凹槽可改善因外延材料批次不均匀所产生的饱和电流的偏差；栅凹槽可以改变栅边缘的几何形状，使电场不在栅边缘集中，从而提高栅的击穿特性。栅挖槽也有缺点，它使得栅金属与槽边缘之间存在栅-漏、栅-源寄生电容，它有可能损失增益或产生信号正反馈使器件工作不稳定MESFET工艺T形栅：微波传输在FET上存在着传输衰减，要减小传输衰减，就必须降低源、漏、栅金属上的损耗。由于源、漏面积比较大，问题不大。而尺寸为亚微米的栅金属，问题就比较突出。同时电流密度高，有可能使栅条断条和诱发突变烧毁。因此栅金属的厚度和宽度不仅对于增益是重要的参数，对于可靠性也有很重要的意义。一般为了解决上面的问题，采用自对准T形栅或称蘑菇形栅，作为肖特基势垒的金属组合为：Ti-Pt-Au、Pt-W-Pt-Au、Ti-Mo-Au，这几层金属分别用来做肖特基-覆盖层-传输线层MESFET工艺MESFET工艺背面减薄：小功率的FET因为散热不是重要问题，对减薄要求不严，可以用相对较厚的衬底，但是衬底太厚给最后的划片带来困难，因此也要减至150μm。大功率的FET会产生可观的热量，因此要将衬底减至50μm。对于MMIC，其传输线尺寸是衬底厚度的函数，太厚意味着传输线宽，太薄意味着传输损耗大，一般控制在50~120μm接地通孔是用来降低接地电感和降低热阻的。一般是在背面减薄后再腐蚀到正面，并金属化MESFET工艺MESFET等效电路gdCgsCdcCgiVgimVgdGiRdsCgRsRdrRGDSS本征模型Cgs和Cgd表示栅极-沟道电容；Cdc模拟沟道中偶极层电容，Ri表示沟道电阻，Gd表示沟道电导gm表示管子的跨导外部寄生元件有：源电阻Rs、漏电阻Rdr、栅极电阻Rg和衬底电容CdsRg和Rs不仅显著地影响高频时管子的输入电阻，而且是主要的外部热噪声源HEMT工艺与PHEMT工艺1978年，Dingle等人实现了调制掺杂超晶格材料，它是将GaAs与n型掺杂AlxGa1-xAs层相互交替，所发现的现象是：由于两种不同带隙的高质量化合物半导体形成的异质结界面产生了势阱和势垒，施主原子留在距异质结界面很近的宽带隙半导体中，而电子脱离母体转移到无掺杂的窄带隙半导体GaAs中，因量子力学和空间电荷效应，这些电子堆积在一个通常小于200埃的薄层区域内，形成二维电子气。并且电子迁移率大幅度增加，常温情况下增加了两倍（与掺杂到1017cm-3的GaAs比较）HEMT工艺与PHEMT工艺1980年由Thomson-CSF和Fujitsu两个公司的实验室同时设计和制造出异质结晶体管，其设计思想是利用不掺杂的GaAs和掺杂的AlxGa1-xAs界面堆积出的二维电子气，其工作方式类似于MOSFET或MESFET。利用加到栅极上的电压，来控制在漏源之间传导电流的电子的数目。这种新型的器件被命名为高电子迁移率晶体管（HighElectronicMobilityTransistor,HEMT）或者调制掺杂FET（MODFET）。HEMT工艺与PHEMT工艺AsGaAlN0.70.3+源漏栅GaAsN+无掺杂GaAs半绝缘GaAs衬底2DEG无掺杂AsGaAl0.70.3缓冲层生长在GaAs衬底上，该层典型的厚度为1μm。有源沟道是在非掺杂的GaAs缓冲层上表面形成的。在有源沟道的顶部有一个薄的（典型厚度范围为10~60埃）非掺杂AlGaAs层，叫作后退层（setback）或者隔离层（spacer）。HEMT工艺与PHEMT工艺AsGaAlN0.70.3+源漏栅GaAsN+无掺杂GaAs半绝缘GaAs衬底2DEG无掺杂AsGaAl0.70.3因为隔离层是非掺杂的，它进一步将沟道电子与保留在掺杂层中的掺杂原子分开。在隔离层上面的是掺杂AlGaAs层，它给导电沟道提供电子，同时作为栅和二维电子气中的高质量电介质材料，它的部分功能类似于SiMOS器件中的SiO2，典型厚度为350~500埃。高质量的AlGaAs/GaAs界面是材料制作的关键所在，它使得高性能二维电子气（浓度和迁移率）的出现成为可能最上面生长的GaAs帽层为AlGaAs提供钝化保护，并给HEMT提供低电阻的欧姆接触HEMT工艺与PHEMT工艺常规HEMT更进一步的发展是1985年Maselink制成的赝配HEMT，它改变了沟道材料。PHEMT是用非掺杂的InxGa1-xAs替代常规HEMT中非掺杂GaAs沟道层构成的，即n+GaAs(帽层）/nAlxGa1-xAs(电子提供层）/iInxGa1-xAs(沟道层）/iGaAs(缓冲层）。在InxGa1-xAs/iGaAs界面，有百分之几的晶格失配，由此而引起的应力被薄的InxGa1-xAs层吸收。因此该层被称为赝配层，这就是PHEMT（P为英文pseudo，即“赝”或“假”的字头）名称的由来HEMT工艺与PHEMT工艺这两种晶体管的重要特点是利用未掺杂的GaAs或InxGa1-xAs与AlGaAs界面上的GaAs或InxGa1-xAs表面势垒中的二维电子气工作的。二维电子气的电子迁移率非常高，因为这部分电子在空间上脱离了原来的的施主杂质离子的束缚。在室温下，二维电子气的电子迁移率比GaAs的电子迁移率高20~30%，而在低温下，前者比后者高5~6倍。所以HEMT和PHEMT比GaAsMESFET的性能优越，表现为高跨导、高饱和电流以及高特征频率。HEMT工艺与PHEMT工艺在工作机理上，GaAsFET是通过栅极的肖特基势垒来控制导电沟道的宽窄，从而达到控制漏极电流的目的，控制作用发生在整个有源层；而HEMT和PHEMT是通过肖特基势垒来控制二维电子气的浓度，从而达到控制漏极电流的目的，控制作用最灵敏的位置在二维电子气的部位。除此之外，两者同时具有耗尽层，具有夹断特性，可用同样的方法来分析它们的特性HEMT工艺与PHEMT工艺HEMT工艺与PHEMT工艺东南大学射光所所用的是法国OMMIC公司提供的的0.2µmE/D02AHGaAsPHEMT工艺衬底厚度