微波功率器件及其材料的发展

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0 概述
由Ge、Si、Ⅲ-V化合物半导体等材料制成的,工作在微波波段的二极管、晶体管称为微波器件。微波即波长介于1m~1mm之间的电磁波,相应频率在300MHz~300GHz之间。微波半导体器件在微波系统中能发挥各方面性能,归纳起来为微波功率产生及放大、控制、接收3个方面。对微波功率器件要求有尽可能大的输出功率和输出效率及功率增益。 进入20世纪90年代后,由于MOCVD(金属有机化学气相淀积)和MBE(分子束外延)技术的发展,以及化合物材料和异质结工艺的日趋成熟,使三端微波器件取得令人瞩目的成就,使得HBT(异质结双极型晶体管)、MESFET(肖特基势垒场效应晶体管)以及HEMT(高电子迁移率晶体管)结构的各种器件性能逐年提高。与此同时,在此基础上构成的MMIC(单片集成电路)已实用化,并进人商品化阶段,使用频率基本覆盖整个微波波段,不仅能获得大功率高效率而且,噪声系数小。随着微波半导体器件工作频率的进一步提高,功率容量的增大,噪声的降低以及效率和可靠性的提高,特别是集成化的实现,将使微波电子系统发生新的变化。表1列出了几种主要的三端微波器件目前的概况。

表1 微波三端器件概况


1 HBT功率微波器件的特性及设计要点
微波双极型晶体管包括异质结微波双极型晶体管和Si 微波双极型晶体管。Si器件自20世纪60年代进入微波领域后,经过几十年的发展,性能已接近理论极限,并且其理论和制造已非常成熟,这可为后继的第二代、第三代器件借鉴。HBT主要由化合物半导体或合金半导体构成,需要两种禁带宽度不同的材料分别作为发射区和基区,宽带隙材料作发射区,窄带隙材料作基区。当为DHBT(双异质结双极型晶体管)时,集电区与基区材料带隙也不相同。为更加有效地利用异质结晶体管的特性,其结构也不再是普通的平面结构,而是采用双平面结构。

1.1 材料的选取及特性
虽然大部分微波功率器件被Ⅲ-V化合物功率器件占据,但Ⅲ-V化合物HBT在目前也存在着可用频率范围小、材料制备及工艺成本高,器件在这些材料上的集成度不高,机械强度小以及在大功率情况下热不稳定现象严重,并可能造成发射结陷落和雪崩击穿,以及晶格匹配和热匹配等问题。
InP自身具有良好的特性,与GaAs相比,击穿电场、热导率、电子平均速度均更高,而且在异质结InAlAs/InGaAs界面处存在着较大的导带不连续性、二维电子气密度大,沟道中电子迁移率高等优点,决定了InP基器件在化合物半导体器件中的地位和优异的性能。随着近几年对InP器件的大力开发和研制,InPHBT有望在大功率、低电压等方面开拓应用市场,拥有更广的应用领域。
1987年Lyer.S.S和Patton.G.L等首次发表了用MBE技术成功地研制出Si0.88Ge0.l2基区HBT,使SiGe合金受到关注。由于近年来的研究,基于SiGe的HBT器件很好地解决了材料问题, 因其与SiCMOS器件工艺的兼容性,使得SiGe HBT能够高度集成,而且由于材料的纯度与工艺的完善,使其具有比Ⅲ-V化合物HBT更小的1/f噪声。SiGe合金的带隙可根据组分的变化自由调节,且其电子、空穴的迁移率比Si中的高,由于比硅单晶器件有更好的性能,SiGe与目前的硅超大规模集成电路制造工艺的兼容性使其在成本与性价比方面具有极大的优势,因此SiGe被看作是第二代器件材料,受到广泛重视。由于Si和Ge有高达4.2%的晶格失配,则必须在低温下才能生长出高质量的SiGe/Si异质结,并且Ge组分越小热稳定性就会越好。

1.2 器件的设计
功率微波晶体管不仅工作频率高,而且承受的功率大,即要求有大的电压和电流容量。提高电流容量需增加发射极总周长,并防止大电流下的发射结注入效率下降,避免有效基区扩展效应和发射极电流集边效应等。从频率和功率两方面考虑则可用增益带宽乘积来表示:

其中GTM是增益,f是带宽,f T是特征频率,le为发射极寄生电感,rb是基区电阻,CC是集电极电容。

故要减小结面积以减小电容CC,并减小rb。HBT理论(利用半导体材料带隙宽度的变化及其作用于电子和空穴上的电场力来控制载流子的分布和流动)的提出很好地解决了这些问题。由于HBT晶体管发射区材料的禁带宽度比基区大,对npn型HBT,其宽禁带的发射区势垒阻碍了基区空穴的注入,因而可在注入比不变的情况下提高基区掺杂浓度,降低基区电阻。
采用选择再生长技术可将其基区电阻rb缩小4倍,同时利用非晶InGaAs缓变基区使通过再生长的基于GaAs的HBT获得更低的rb、CC,从而获得更高的fmax,这样可扩大Ⅲ-V化合物器件的频率范围。这些器件有26GHz HBT,输出功率为3.63W,功率效率(PAE)为21%;35GHz HBT,输出功率为1W,效率为29%等。此外,我国中科院做电子研究所利用发射极金属掩蔽进行内切腐蚀的方法研制成自对准InGaP/GaAs HBT,其特征频率(fT)达到54GHz。
由于热传导的二维、三维效应,晶体管的结温不处于统一温度,而是随位置变化的。在微波功率管中,这种现象更加明显,究其原因主要有:① 微波应用中,发射极与基极的线条更细、发射极间距更小、热偶合更加显著;②为提高微波和功率性能,集电极电流密度很大,因而功率密度更高;③为获得更大的 功率和充分利用芯片面积,器件有源区的面积也不断增加,器件的中心区域热流趋近一维传导,而边缘则是二维、三维导热;④发射极电流密度对温度的正反馈,电 流集中于中心区域。所以中心与边缘温度相差很大,严重时可达几十度,导致器件的可靠性下降。实验表明,低掺杂的外延层不仅能作为镇流电阻,而且还能非常有 效地降低发射极电流集边效应,大大提高了器件可靠性,此法主要是减弱发射极电流密度对温度的正反馈效应,不能改变热流的二维、三维效应。采用不等间距和不等发射极条长设计或发射条的间断设计 (即在器件的中心区边缘发射条断开,并空出此区域,因而在此区域没有功耗)可获得结温一致的晶体管。2003年蔡勇等人的模拟数据表明,采用功率密度非均匀设计可整体提高微波功率晶体管器件的可靠性。
对于Si/SiGe/Si的器件的设计,可采用双平面结构。与小功率微波HBT器件相比,微波功率器件的发射结大小的特性并不是最重要的。器件设计的目标是大功率和高速度,即对于SiGe HBT来说既要有大的输出功率,又要有高的微波波段响应频率,这两方面是互相限制的,所以当器件用作功率放大器时其特性可用最高振荡频率来衡量,即:

为了提高器件的频率响应,采用了竖直和外延结构优化组合设计方法来达到高的,fmax值。对于SiGe HBT,Ge的含量必须很好设计,这有利于提高器件的性能。最大的Ge成分是在E-B结一边,然后向B-C结渐变降低,是最合适的选择,当前的研究表明35 at%左右(<40 at%)的Ge含量可使少子在基区的迁移率达到最大。
作为功率器件,基区要求高掺杂,可降低基区电阻,并可产生良好的欧姆接触,从而降低接触金属的宽度,并能使基区宽度进一步缩小,这可提高频率特性(在不考虑基区穿通的情况下)。高掺杂将降低载流子迁移率。但根据

基区掺杂浓度的增加带来的好处超过了载流子迁移率下降的弊端。集电区厚度及掺杂浓度的设计对功率微波晶体管来说最为重要,因为它将影响器件的热效应和速度,采用厚的轻掺杂的集电区有利于提高fmax,同时也会降低热效应,这给器件功率特性(即减小了集电结电流密度)带来不利影响。虽然厚集电区会使τc增加而使fT下降,但它带来的好处(降低CC和热效应以及有大的击穿电压和好的线性度)也超过了使fT下降的不良影响。在一般情况下,SiGe微波功率HBT的基区掺杂浓度在1020cm3数量级,集电区掺杂浓度在3×1016cm3左右。Ge的含量在合金中占30 at%。

2 MESFET功率微波器件的特性及设计要点
2.1 材料的选取及特性

在上个世纪70年代后期,GaAs单晶及外延技术获得突破,GaAs肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET)得以成功制成。GaAs材料的电子迁移率比Si的高7倍,且漂移速度快,所以GaAs比Si具有更好的高频特性,并具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高等特点,而且GaAs是直接带隙,禁带宽度大,因而器件的抗电磁辐射能力强,工作温度范围宽,更适合在恶劣的环境下工作。由于GaAs器件具有以上优点,GaAs MESFET已几乎占领了微波应用的各个领域。
20世纪90年代中后期对于SiC材料的研究表明,它的性能指标比GaAs器件还要高一个数量级。SiC具有下列优异的物理特点:高的禁带宽度(4H-SiC,3.2eV),高的饱和电子漂移速率(2×107cm/s),高的击穿强度(4×106V/cm),低的介电常数和高的热导率(4.9W/cm·k)。上述这些优异的物理特性,决定了SiC在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下,SiC器件的漂移区电阻要比Si低200倍。其功率密度是Si和GaAs的3~4倍,热导性能是Si的3倍,是GaAs的10倍。用SiC材料制造的MESFET的射频(RF)功率密度达到4.6W/mm,功率效率(PAE)达到65.7%,击穿电压超过100V,SiC的型体非常多,在半导体应用时4H-SiC和6H-SiC由于单晶生长工艺的成熟以及较好的重复性而应用较广,目前已商品化,尺寸也由25mm增大到50mm,75mm的晶元也有样品展出,产品目前主要来自于美国的Cree公司。

2.2 器件的设计
SiC器件由于过去缺乏高质量的大SiC衬底而受到限制,体SiC的最大缺陷是微管 (材料中0.5~lμm直径的空洞)。Cree公司在这方面取得了大的进展,制造出4H-SiC晶片微管密度<lcm-2。并已报道SiC MESFET已达到fmax=50GHz,功率密度为4.6W/mm。而目前最大功率SiC器件已由Cree公司研制出,其工作频率在3.1GHz时功率为80W,PAE为31%,栅长0.7μm,栅宽48mm,工作电压58V(fT=9GHz,fmax=20GHz)。其设计目前已可采用多指栅,由于器件有超过2个的栅,因此需要空中桥 (air bridge),Chalmers大学报道了一种制造空中桥的多指栅高功率SiC MESFET 工艺,空中桥是用纯金形成,器件是建立在Cree公司半绝缘4H-SiC的3层同质外延结构,从上到下的层结构为0.15μmN型覆盖层(ND=1×1019cm3),0.5μmN型沟道层(ND=1×1017cm3)和0.5μm的P型缓冲层(NA=5 ×1015cm3),栅下沟道厚度是0.35μm,栅长0.5μm,栅源间隙0.5μm,栅漏间隙为1.0μm,栅接触由多层金属结构(Ti/Pt/Au)构成。栅的肖特基势垒高度为0.9eV,其直流跨导和饱和电流Idss分别为30ms/mm和220mA/mm,fmax为39GHz。
由于MESFET最大功率增益由下式[2]表示:

是栅源间沟道电阻,RS、RG分别为源、漏集总电阻,ls源引线电感,RGS是栅源电阻,Cdg是漏栅电容。效率定义为射频输出功率PO和直流功率PD之比,即ŋ=P0/PD。为了获得大的输出功率,主要是增大漏源电流和提高漏极的偏置电压,亦即提高漏源击穿电压,提高功率增益则要求提高截止频率fT,减小各项寄生参数。
通过以上资料及数据不难看出, 功率微波MESFET要求在更高的微波频率下输出尽可能大的功率,以达到大的功率增益和高的效率,因此必须对其结构及工艺上进行研究:
(1)采用多层同质外延结构,即SI-SiC/n-/n/n+或SI-GaAs/n-/n/n+4层结构,如图1所示,n-高阻缓冲层有利于提高击穿电压,n+层有利于RS、RD的减小,有源层厚度为0.3~0.5μm,掺杂浓度为1016~1017cm3。

(2)采用腐蚀凹栅结构,在栅下有源层腐蚀出0.1~0.15μm凹槽,在槽中再淀积栅极,当栅极加上足够反向栅偏压时,沟道区电压降增加,漏端电场相对减小以抑制高场筹雪崩现象发生,提高了击穿电压。
(3)增 加栅宽及栅源极总周长,平面图形采用梳状及网状结构,以增加沟道总截面,提高最大饱和漏电流。采用多栅条多单元并联工作,即将有源区分成若干个,适当增加 栅极压焊点,这样既可满足总栅宽,又能控制单个栅的宽度,还能降低栅馈电感和栅电阻。减小热阻以利散热,主要方法是减薄外延层厚度。

3 HEMT功率微波器件的特性及设计
HEMT被公认为微波/毫米波器件和电路领域中最有竞争力的三端器件,它不仅具有优异的低噪声特性,而且具有出色的功率性能。1969年IBM公司的L.Esaki和R.Tsu提出了"调制掺杂"概念,认为如将载流子在空间上与其母体的电离杂质分开,并使之局限在一极小的区域内(量子阱)作二维运动,由于量子阱中的载流子避免了与其母体杂质的散射,就能获得很高的迁移率。1978年,Bell实验室的R.Dingle首次报道了用MBE生长的调制掺杂异质结构,并证实了具有高密度、高迁移率的二维电子气(2DEG)的存在。1980年日本富士通公司研制出第一只HEMT,因其它具有超高速性能以及吸引人的功率密度而受到世人瞩目。且其短沟道效应很小,制造步骤少,性能均匀稳定。目前,由于HEMT器件研究和工艺的日趋成熟,在国外(美国、日本等)已有高性能的产品走向市场。

3.1 材料的选取及特性
对于HEMT功率器件,比较成熟的是基于AlGaAs/GaAs的器件。InPHEMT已成为毫米波高端应用的支柱产品,器件的fT、fmax分别达340GHz和600GHz,代表着三端器件的最高水平。目前最吸引人的材料是AlGaN/GaN,它比前者有更好的微波功率特性,如图2所示。GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件的新型半导体材料,并与SiC、金刚石等半导体材料一起被誉为是继第一代Ge、Si半导休材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。图3示出了GaN电子器件的性能与GaAs和SiC MESFET的比较,从图中可以很好地看到GaN基电子器件具有很好的应用前景。GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为1700℃,GaN具有高的电离度,在Ⅲ-V族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大气压力下,GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个味胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高,又是一种良好的涂层保护材料。
GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×10/cm3。一般情况下所制备的P型样品,都是高补偿的。很多研究小组都从事过这方面的研究工作,其中中村报道了GaN在室温和液氮温度下最高迁移率数据分别为μn=600cm2/v·s μn=1 500cm2/v·s,相应的载流子浓度为n=4×1016cm3。和n=8×1015cm3。近年报道的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为4×101616cm3、<1016cm3;等离子激活MBE的结果为8×1017cm3、<1017cm3。未掺杂载流子浓度可控制在1014~1020cm3范围。另外,通过P型掺杂工艺和Mg的低能电子束辐照或热退火处理,已能将掺杂浓度控制在1011~1020cm3范围。
对于HEMT器件,要求材料是具有宽禁带、高熔点、高击穿电场的半导体材料,并能有很好的晶格匹配和小的热膨胀失配系数,这一点是非常重要的。

3.2 器件的设计
在设计上,衬底材料多采用半绝缘SiC或蓝宝石,但考虑功率器件的散热问题,SiC衬底更具优势。在晶格匹配上可增加一层A1N缓冲层;为了降低有源层的杂质散射则可增加一层低掺杂的缓冲层。另外需考虑n-AlxGa1-xN有源层厚度,载流子的浓度以及在AlxGa1-xN中Al的组分,空间隔离层的厚度,I-GaN有源层的载流子浓度,2DEG浓度及电子迁移率。在结构因素中主要考虑栅长、栅宽、源栅间距和漏栅间距等,其次是接触,主要包括源漏欧姆接触金属及其接触性能和栅肖特基接触金属及其与AIGaN/GaN接触特性,目前所用的接触金属主要是Au/Pt/A1/Ti多层金属和Ti/A1 A1GaN。在对其参数的优化中与MESFET一样,要减小栅长L,增大栅宽WD。通常器件都以单位栅宽衡量,这样减小栅长就是器件参数优化的关键。此外还要在工艺允许的条件下最大限度地减小栅源和栅漏间距以减小Rg和RD。目前已经报道了6.8W、10GHz A1GaN/GaN HEMT(栅长0.45μm、fT=28GHz、fmax=114GHz、Igd=0.680A/mm、gm=200ms/mm)。现在对HEMT器件有了很多新的结构,对器件性能也做出了很大的改进,这些改进的器件有如PHEMT、InPHEMT、
MOSHFET、DHFET等。目前,用HEMT制作的多级低噪声放大器和功率放大器已广泛用于卫星接收系统、电子系统及雷达系统。

4 国内现状及与国外差距、未来展望和总结
我国在GaAs MESFET的研制方面起步较早,经过十几年的努力,目前所达到的水平为C波段8W、15GHz 1W、18GHz 1W,并已商业化。而HBT和HEMT器件及其材料的研制方面起步较早,且由于设备条件差,所以器件性能也较差,大多数的器件只是处于试验阶段。目前,国家各重点实验室已成功研制出高性能的HBT和HEMT,填补了我国在这方面的空缺,只是还没能够形成产业化。
经过30多年的研制和发展,我国在半导体微波器件领域取得了很大的成绩,但与国外先进水平相比,仍然存在相当大的差距。对SiC晶元的制备我国尚为空缺,实验的材料均来自于美国的Cree公司,而GaN器件也刚刚起步,其工艺正在探索研究中,主要是由于受AlGaN/GaN 2DEG材料的来源限制。器件的研制和生产方面与国外的差距是多方面的,归纳起来包括以下几方面:
(1)投资强度不够。半导体制造工艺需要的设备大都要求先进的现代化设备,需要投人相当大的资金,由于我国的国力的原因,在投资方面跟不上美、日及西欧等国家。同时由于我国的基础工业的落后也导致了半导体产业的落后。
(2)材料研究落后。材料是器件的重要基础,材料的特性直接影响器件的性能参数。广泛掌握材料特性和对材料质量全面了解是器件成功的关键。虽然我国进口了先进的MBE、MOCVD设备,但材料生长技术仍有待提高。
(3)工艺设备的落后。由于半导体设备的投资相当大,而我国的大多数设备都靠从国外进口,主要是Si工艺生产线,而Si材料已不能满足未来对微波功率器件的要求,新材料的制备需要新的生产线及新的工艺。
未来器件的发展会集中在新材料、新工艺、新结构、互连技术等方面,而新材料则是重点。由于对器件的设计从"掺杂二程"转入"能带工程",因此对半导体材料需要革命性的革新,而这正是目前器件及IC技术突破的瓶颈。对于微波功率器件,需要找到宽禁带、高热导率、高电子迁移率、高的击穿强度、低介电常数的材料,同时 由于异质结的应用,必然会有晶格失配现象,故还需要有最小的晶格失配系数。
由于SiGe与Si工艺的兼容性,我国应首先在SiGe合金的制备及SiGe/Si异质结特性的研制和HBT结构的研制上取得突破,这可利用现成的Si工艺生产线实现产业化,从而实现第一代材料与第二代材料的平稳过渡。在其他新型材料(SiC、GaN、InP等)的研制和开发方面可采取开发与引进并行的策略逐步推进产业化进程,追赶国外先进水平。
化合物半导体器件中最有代表性、最能完美地显示异质结结构特点的超高速器件是高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)。HEMT不仅可获得超高频、超高速,还具有低的高频噪声。HEMT是平面结构,而HBT是非平面结构,工艺上比HEMT难度大,但可获得高的输出功率。对微波功率器件的研究除了要寻找更好的半导体材料和对材料特性进行改进外,还要有十分完备的工艺支持。

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微波功率器件及其材料的发展

介绍了微波功率器的发展和前景,对 HBT, MESFET 和 HEMT微波功率器件材料的特点和选取,以及器件的特性和设计做了分类说明。着重介绍了SiGe合金.InPSiC、GaN等新型微波功率器件材料。并对目前各种器件的最新进展和我国微波功率器件的研制现状及与国外的差距做了概述与展望。

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