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1、射频III-V族化合物半导体技术,2003.10成都,内 容 限 定化合物：元素半导体（Ga,Te,Se,Ge,Si.)III-V族：SiGe、SiC、II-VI族半导体射频（RF）：光、热、敏感、低频实用性成熟：低维结构（量子点、量子线、量子谐振隧穿）ABCS（锑化物基半导体）,内 容,III-V化合物半导体特性的吸引力与发展历程微波应用对半导体特性潜力的挖掘器件设计：“掺杂工程”“能带工程”材料制造技术：基础材料“功能材料”III-V宽禁带高温半导体技术III-V化合物微波单片集成电路技术结论,III-V化合物半导体的特性优势与发展历程,III-V化合物半导体的主要吸引力,材料的多元性（二
2、元、三元及多元）：大大地提高器件设计的灵活性与性能优化的潜力 更高品质的载流子输运特性：满足高频、高速器件的基本要求 直接能隙半导体：光电子发射 高频、高速、微波、光电应用电路的一体化：对全功能性材料的追求单片化多功能集成电路技术,III-V化合物半导体发展历程,化合物半导体的历史与元素半导体同样悠久 发展遇到的最大困难是材料生长的困难 化合物材料技术的发展（晶片直径、外延技术）直接推动新原理器件的诞生与应用,中国的III-V化合物半导体技术发展始于1960年代前期,GaAs、InP单晶体生长的难点,合成与生长：熔点温度下高挥发（As、P）高蒸汽压、纯化学配比 高温生长坩堝沾污 高温高压不完整
3、性：缺陷、位错,GaAs（InP）单晶拉制工艺：LEC、VB、VGF,机械强度晶片加工与器件制造工艺困难,III-V半导体材料技术的发展直接推动器件与应用的进程：例,外延技术（MBE、MOCVD）的发展直接推动化合物新型器件 的发展：HBT 1948 Schokley 提出不同半导体材料形成异质结双极晶体管的原理 1957 Kroemer 提出完整的HBT设计理论 1977 Konnzai等制造出第一个真正的GaAs/AlGaAs HBTHEMT 1978 Dingle 用MBE生长出能产生2DEG的异质结构 1980 Mimura等制造出第一个AlGaAs/GaAs HEMT,材料合成与单晶
4、拉制的困难制约着化合物器件与集成技术的发展：1967 GaAs MESFET（单晶拉制技术的完善：1965 LEC）1976 GaAs MMIC（1-2英吋直径单晶拉制及晶片加工：1970s初）,III-V化合物半导体技术发展里程碑,晶体合成与单晶拉制：GaAs：1956；InP：1968 器件研究：GaAs GUNN 1963 三极管：GaAs MESFET 1970 异质结三极管：GaAs：HBT 1977；HEMT 1980；PHEMT 1985 InP：HEMT 1987 单片集成电路（MMIC）：GaAs 1976；InP 1990 宽禁带半导体三极管器件：GaN HEMT 1993
5、 宽禁带MMIC：GaN HEMT MMIC 2000,我国III-V化合物半导体技术的历程,GaAs单晶拉制：1961（1959）GaAs GUNN二极管研制：1964（1963）GaAs MESFET研制：1975（1970）GaAs MESFET MMIC研制：1980（1976）GaAs基HEMT研制：1984（1980）GaAs材料合成试验：1959（1956）GaN HEMT研制：1999（1993）,RF与微波器件的工作机理推动对 III-V半导体特性的深入挖掘利用,射频应用对半导体特性、效应的深入挖掘,传统（二极管、三极管）器件特性的充分利用：I-V特性的利用：线性、非线性、大
6、动态范围结电容特性的利用：线性、非线性沟道电导调制效应的利用 电子在高场下的漂移特性：迁移率的非线性、电子饱和速度 高能电子在强场下的特殊行为：碰撞引起载流子倍增与雪崩倍增 导带子能谷之间的电子谷间转移,微波半导体器件特性的非线性利用,I-V特性的非线性区效应：产生信号频率的谐波、分谐波成分变频、倍频、分频 Schottky 二极管、检波二极管、混频二极管、隧道二极管 结电容的压控特性：改变谐振回路频率及Q值宽带信号源变容二极管、阶跃二极管 沟道电导的非线性调制：用于RF信号的衰减、限幅PIN二极管、限幅二极管,电场下载流子行为：漂移与饱和,电子极限速度：饱和速度vs 微波器件性能：低场迁移率
7、n与高场饱和速度vs的综合效应 MESFET、HEMT、PHEMT、HFET、MHEMT、HBT,高场下的电子运动：微波三极管中的尺寸效应亚微米栅（FET）、超薄基区（BT）,III-V族化合物半导体的速场特性,高电场下电子进入远离导带底的高能态传统的导带底部低能态近似不再适用,化合物半导体器件内的高场效应：雪崩与体效应（GUNN效应）,高能电子高速漂移运动引起的载流子碰撞、雪崩IMPATT（雪崩二极管）高能电子在化合物半导体（GaAs、InP）导带子能谷间转移“快”电子“慢”电子引起半导体内的偶极子疇：正效应：GUNN效应与器件 副效应：干扰某些器件正常工作状态GUNN二极管（体效应二极管）
8、,充分挖掘半导体内载流子的各种特性：众多的微波器件家族,半导体异质结构的实现开创了“能带工程”器件设计原理时代,FETs：化合物 vs Si,GaAs 类FET特点：缺乏类SiO2稳定氧化物 空穴迁移率远低于电子,器件需采用不同工作原理GaAs（InP）基金属半导体场效应晶体管（MESFETs）,化合物器件：从MOSFET到MESFET,化合物半导体缺乏具有良好加工性能的氧化物钝化层 必须采用非MOSFET型器件 MOS结构 MES结构（金属半导体接触势垒）化合物半导体（GaAs、InP）较大的Eg 优异的Schottky势垒特性 类MOSFET的MESFET：栅下MOS电容电位控制 栅下沟道
9、厚度的耗尽控制,异质结器件的崛起：化合物半导体同质结FET及BJT原理的突破,同质材料结构 异质材料结构：器件原理与特性的飞跃 异质结构器件设计优化：传统的扩散、注入、合金、氧化：掺杂工程异质层结构的设计优化及外延：能带工程,实例1：高电子迁移率晶体管（HEMT）,双平面掺杂PHEMT层结构示意,膺配HEMT剖面示意,HEMT工作原理,HEMT的原理特点,AlGaAs/GaAs异质结的导带不连续性：GaAs一侧形成量子势阱，掺杂层内电子转移到阱内形成高面密度的二维电子气（2DEG）掺杂层与2DEG层的空间分离，降低杂质离子的库仑散射：提高2DEG的迁移率,解决了：器件工作区内增加载流子浓度与提
10、高载流子迁移率的矛盾体现微波频率下工作HEMT的优异特性,实例2：HBT,npn-HBT剖面示意,npn-HBT层结构示意,HBT的原理特点,异质EB发射结：宽能隙发射区、窄能隙基区,HBT的原理特点,异质EB结的能带差Eg增加了改变发射结注入比的手段：max=(Ne/Pb)(vnb/vpe)exp(Eg/kt)在保持高发射结注入效率的前提下通过发射区、集电区低掺杂、基区高掺杂实现降低Rb、Ce、Cc：提高HBT的工作频率fmax,解决：双极晶体管提高频率与增加增益间矛盾体现微波频率下工作HBT的优异特性,异质结构效应对化合物半导体器件的影响：MESFET类异质器件,采用异质Spike掺杂改进
11、MESFET沟道杂质分布以提高器件功率输出时的效率与线性度 采用大能隙异质势垒层（AlGaAs）提高MESFET的Schottky势垒特性以改进器件频率与增益 采用电子输运特性更优异的异质沟道层材料（InGaAs）以全面提高MESFET及HEMT的高频特性（频率、增益、功率、效率）采用复合异质沟道层（如GaAs/InGaAs）或多层脉冲掺杂沟道层通过同时提高载流子的输运特性及沟道载流子浓度以改善器件的频率与功率输出特性,异质结构效应对化合物半导体器件的影响：HBT类异质器件,采用窄能隙（GaAs、InGaAs）基区利用异质发射结效应全面改进BJT的高频特性（、fT、fmax）采用双异质结（EB
12、发射结、CB集电结）进一步改善集电结输运特性利用异质结构的选择腐蚀性（自停止腐蚀性，如InGaP与GaAs）实现HBT工艺中结平面的精确定位（10-1 nm精度）利用高钝化特性的异质生长层（如InGaP）实现HBT发射结的低界面态表面钝化保护,化合物异质器件设计：能带工程,异质半导体器件的设计：能带工程Schroedinger方程+Poisson方程 异质界面间的电子转移波函数、子能级、态密度：2DEG面密度 异质半导体器件的设计参数层结构、厚度、掺杂浓度 异质半导体器件设计的实现密切结合异质材料生长工艺：功能材料,同质半导体器件的设计：掺杂工程Poisson方程,化合物半导体材料技术进展实现
13、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（10-3m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
14、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,I
15、II-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,GaN高温半导体技术,共同特点宽禁带半导体材料：高温工作（400C）、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：10
16、8 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,Si
17、 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及微波频段）提高：“路”（集中元件）“场”（电磁场）设计复杂化：电磁场、寄生效应寄生效应元件的紧邻效应 电路基板“非理想性”,MMIC：功能电路微波频率模拟IC,MESFETs,MESFET的大动态范围的工作特性 微波电路中的“多面手”替代各种微波二极管 微波电路可用单一种类MESFET组成 大大简化MMIC的设计与制造复杂性 MESFET的准平面结构+与 微波
18、无源元件制造工艺的相容性 最终解决MMIC的可制造性,MMIC中使用的FETs的特殊性,Si ICs：MOSFET的“导通”与“截止”化合物MMICs：MESFET特性的不同区域电路CAD设计用器件模型：十分复杂,异质结新原理器件大幅度改进MMIC性能,“三高”：高载流子输运特性、高器件设计灵活性、高工作结温,异质结构FETs：HEMT、PHEMT、MHEMT 异质结双极型器件HBTs：单异质结HBT、双异质结HBT（DHBT）宽禁带化合物半导体（GaN）的异质结器件,化合物微波异质结半导体器件的优势,异质结器件大大提高器件的工作频率：GaAs PHEMTs：40-60 GHzInP HEMT
19、s：100 GHz以上通信、军事应用 异质结器件大大提高器件的运算速度：InP HBTs：100 Gb/s以上数据传输速率下一代光通信 异质结器件大大提高器件的工作温度：GaN HEMTs：稳定工作于350C以上军事电子系统、移动通信基站,MMIC的应用技术发展兼容IC技术,微波（模拟）超高速（数字）兼容IC技术 微波（模拟）光电（模拟/数字）兼容IC技术 微波MEMS兼容IC技术微波光电MEMS兼容IC技术,微波半导体非半导体（超导、磁性）兼容IC技术,MMIC工艺技术发展3D-MMIC,需求：最大限度地进一步减小射频（T/R）模块的体积、重量与成本 实现有源器件与无源元件的多层化分布缩减尺
20、寸 消除RF寄生效应的措施最佳化改进性能 实现立体化电磁场结构（腔体、RF输入/出）简化模块工艺，减小重量，降低成本技术：多层介质与集成电路工艺技术难度最大（设计、工艺），但预期效果最好。,3D-MMIC典型工艺示意,结 语,III-V化合物半导体技术与传统的Si技术始终处于并行发展的状态并相互推动。微波半导体器件在发展过程中对半导体特性的多方面深入发掘与利用促成了射频III-V化合物器件工作的不断突破 III-V化合物半导体技术的发展使半导体的利用由“同质材料及同质结构”进入“异质材料与异质结构”阶段 III-V化合物半导体技术的发展使器件原理由“掺杂工程”设计进入“能带工程”设计阶段,结 语,III-V化合物半导体技术的发展使半导体材料技术由“体材料”进入“功能材料”阶段 III-V化合物半导体技术的发展正在进入对新材料（高温半导体、多元半导体）及新原理IC（包括使用非半导体复合基片材料）的全面开发利用阶段,
