第五章射频化合物半导体技术应用

1、第五章射频化合物半导体技术应用内内 容容 限限 定定化合物：元素半导体化合物：元素半导体（Ga,Te,Se,Ge,Si.)III-V族：族：SiGe、SiC、II-VI族半导族半导体体射频（射频（RF）：光、热、敏感、低）：光、热、敏感、低频频实用性成熟：低维结构（量子点、实用性成熟：低维结构（量子点、量子线、量量子线、量子谐振隧穿子谐振隧穿）ABCS（锑化物基半导体）（锑化物基半导体）内 容III-V化合物半导体特性的吸引化合物半导体特性的吸引力与发展历程力与发展历程微波应用对半导体特性潜力的微波应用对半导体特性潜力的挖掘挖掘器件设计：器件设计：“掺杂工程掺杂工程”“能带工程能带工程”材料制

2、造技术：基础材料材料制造技术：基础材料“功能材料功能材料”III-V宽禁带高温半导体技术宽禁带高温半导体技术III-V化合物微波单片集成电路化合物微波单片集成电路技术技术结论结论III-V化合物半导体的特性化合物半导体的特性优势与发展历程优势与发展历程III-V化合物半导体的主要吸引力 材料的多元性（二元、三元及多材料的多元性（二元、三元及多元）：大大地提高器件设计的灵活性与元）：大大地提高器件设计的灵活性与性能优化的潜力性能优化的潜力 更高品质的载流子输运特性：满足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高频、高速器件的基本要求 直接能隙半导体：光电子发射直接能隙半导体：光电子

3、发射 高频、高速、微波、光电应用电路高频、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）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直接推动新原理器件的诞生与应用 中国的中国的III-V化合物半导体技术发展始于化合物半导体技术发展始于1960年代前期年代前期Ga

4、As、InP单晶体生长的难点 合成与生长：熔点温度下高挥发合成与生长：熔点温度下高挥发（As、P）高蒸汽压、纯化学配比高蒸汽压、纯化学配比 高温生长高温生长坩堝沾污坩堝沾污 高温高压高温高压不完整性：缺陷、不完整性：缺陷、位错位错GaAs（InP）单晶拉制工艺：）单晶拉制工艺：LEC、VB、VGF机械强度机械强度晶片加工与器件制造工艺困难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（外延技术（MBE、MOCVD）的发展直接推动化合物新型器件）的发展直接推动化合物新型器件 的发展的发展：HBT 1948 Schokley 提出不同半导体材料形成异

5、质结双极晶体管的原理提出不同半导体材料形成异质结双极晶体管的原理 1957 Kroemer 提出完整的提出完整的HBT设计理论设计理论 1977 Konnzai等制造出第一个真正的等制造出第一个真正的GaAs/AlGaAs HBTHEMT 1978 Dingle 用用MBE生长出能产生生长出能产生2DEG的异质结构的异质结构 1980 Mimura等制造出第一个等制造出第一个AlGaAs/GaAs HEMT 材料合成与单晶拉制的困难制约着化合物器件与集成技术的发材料合成与单晶拉制的困难制约着化合物器件与集成技术的发展展： 1967 GaAs MESFET（单晶拉制技术的完善：（单晶拉制技术的完

6、善：1965 LEC） 1976 GaAs MMIC（1-2英吋直径单晶拉制及晶片加工：英吋直径单晶拉制及晶片加工：1970s初）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：晶体合成与单晶拉制： GaAs：1956；InP：1968 器件研究：器件研究：GaAs GUNN 1963 三极管：三极管：GaAs MESFET 1970 异质结三极管：异质结三极管：GaAs：HBT 1977；HEMT 1980；PHEMT 1985 InP：HEMT 1987 单片集成电路（单片集成电路（MMIC）：）：GaAs 1976；InP 1990 宽禁带半导体三极管器件：宽禁带半导体三极

7、管器件：GaN HEMT 1993 宽禁带宽禁带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：单晶拉制：1961（1959） GaAs GUNN二极管研制：二极管研制：1964（1963） GaAs MESFET研制：研制：1975（1970） GaAs MESFET MMIC研制：研制：1980（1976） GaAs基基HEMT研制：研制：1984（1980）GaAs材料合成试验：材料合成试验：1959（1956） GaN HEMT研制：研制：1999（1993）RF与微波器件的工作机理推动对与微波器件的工作机理推动对 III-V半导体

8、特性的深入挖掘利用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）器件特性传统（二极管、三极管）器件特性的充分利用：的充分利用： I-V特性的利用：线性、非线性、特性的利用：线性、非线性、大动态范围大动态范围结电容特性的利用：线性、非结电容特性的利用：线性、非线性线性沟道电导调制效应的利用沟道电导调制效应的利用 电子在高场下的漂移特性：电子在高场下的漂移特性：迁移率的非线性、电子饱和速迁移率的非线性、电子饱和速度度 高能电子在强场下的特殊行为：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

9、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：特性的非线性区效应：产生信号频率的谐波、分谐波成产生信号频率的谐波、分谐波成分分变频、倍频、分频变频、倍频、分频 Schottky 二极管、检波二极管、混频二极管、二极管、检波二极管、混频二极管、隧道隧道二极管二极管 结电容的压控特性：结电容的压控特性：改变谐振回路频率及改变谐振回路频率及Q值值宽宽带信号源带信号源变容二极管、阶跃变容二极管、阶跃二极管二极管 沟道电导的非线性调制：沟道电导的非线性调制：用于用于RF信号的衰减、限幅信号的衰减、限幅PIN二极管、限幅二极管二极管、限幅二极管电场下载流子行为：漂移

10、与饱和 电子极限速度：饱和速度电子极限速度：饱和速度vs 微波器件性能：低场迁移率微波器件性能：低场迁移率 n与高与高场饱和速度场饱和速度vs的的综合效应综合效应 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高场下的电子运动：微波三极管中的尺寸效应亚微米栅（亚微米栅（FET）、超薄基区（）、超薄基区（BT）III-V族化合物半导体的速场特性化合物半导体化合物半导体 导带双能谷：有效质量不同导带双能谷：有效质量不同“快快”态电子、态电子、“慢慢”态电子态电子 高电场下跃迁：高电场下跃迁： 快电子快电子 慢电子慢电子 负微分迁移率（电子）

11、负微分迁移率（电子）高电场下电子进入远离导带底的高能态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高能电子高速漂移运动引起的载流子碰碰撞、雪崩撞、雪崩IMPATT（雪崩二极管）（雪崩二极管）高能电子在化合物半导体（高能电子在化合物半导体（GaAs、InP）导带子能谷间导带子能谷间转移转移“快快”电子电子“慢慢”电子引起半电子引起半导体内的偶极子疇导体内的偶极子疇： 正效应：正效应：GUNN效应与器件效应与器件 副效应：干扰某些器件正常工作状态副效应：

12、干扰某些器件正常工作状态GUNN二极管（体效应二极管）二极管（体效应二极管）充分挖掘半导体内载流子的各种特性：众多的微波器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 类类FET特点：特点：缺乏类缺乏类SiO2稳稳定氧化物定氧化物 空穴迁移率远低于电空穴迁移率远低于电子子SiSiIII-VIII-V化合物化合物结结P/NSchottky barrierP/N载流子载流子电子，空穴电子，空穴电子电子器件结构器件结构MOSMES，MIS器件内部电场器件内部电场较弱较弱较强较强互补电路互补电路

13、CMOSE/D器件需采用不同工作原理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（）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合物半导体缺乏具有良好加工性能的氧化物钝化层化物钝化层 必须采用必须采用非非MOSFET型器件型器件 MOS结构结构 MES结构（金属半导体结构（金属半导体接触势垒）接触势垒）化合物半导体（化合物半导体（GaAs、InP）较大的）较大的Eg 优异的优异的Schottky势垒特性势垒特性 类类MOSFET的的MESFET：栅下栅下MOS电容电位控制电容电位控制 栅下栅下沟道

14、厚度的耗尽控制沟道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 同质材料结构同质材料结构 异质材料结构：异质材料结构：器件原理与特性的飞跃器件原理与特性的飞跃 异质结构器件设计优化：异质结构器件设计优化：传统的扩散、注入、合金、氧化：传统的扩散、注入、合金、氧化：掺杂工程掺杂工程异质层结构的设计优化及外延：异质层结构的设计优化及外延：能能带工程带工程实例1：高电子迁移率晶体管（HEMT）双平面掺杂双平面掺杂PHEMT层结构示意层结构示意2DEG层层膺配膺配HEMT剖面示意剖面示意HEMT工作原理n-AlGaAs i-GaAsHEMT的原理特点 AlGaAs/GaA

15、s异质结的导带不连异质结的导带不连续性：续性：GaAs一侧形成量子势阱，掺一侧形成量子势阱，掺杂层内电子转移到阱内形成高面密度杂层内电子转移到阱内形成高面密度的二维电子气（的二维电子气（2DEG） 掺杂层与掺杂层与2DEG层的空间分离，降层的空间分离，降低杂质离子的库仑散射：提高低杂质离子的库仑散射：提高2DEG的迁移率的迁移率解决了：解决了：器件工作区内增加载流子浓度与提高器件工作区内增加载流子浓度与提高载流子迁移率的矛盾载流子迁移率的矛盾体现微波频率下工作体现微波频率下工作HEMT的优异特性的优异特性实例2：HBT npn-HBT剖面示意剖面示意npn-HBT层结构示意层结构示意HBT的原

16、理特点异质异质EB发射结：宽能隙发射区、窄能隙基区发射结：宽能隙发射区、窄能隙基区HBT的原理特点 异质异质EB结的能带差结的能带差Eg增加了改变发射增加了改变发射结注入比的手段：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、基区高掺杂实现降发射区、集电区低掺杂、基区高掺杂实现降低低Rb、Ce、Cc：提高：提高HBT的工作频率的工作频率fmax解决：解决：双极晶体管提高频率与增加增益间矛盾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体现微波频率下工作HBT的优异

17、特性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 采用异质采用异质Spike掺杂改进掺杂改进MESFET沟道沟道杂质分布以提高器件功率输出时的效率与杂质分布以提高器件功率输出时的效率与线性度线性度 采用大能隙异质势垒层（采用大能隙异质势垒层（AlGaAs）提）提高高MESFET的的Schottky势垒特性以改进器势垒特性以改进器件频率与增益件频率与增益 采用电子输运特性更优异的异质沟道层采用电子输运特性更优异的异质沟道层材料（材料（InGaAs）以全面提高）以全面提高MESFET及及HEMT的高频特性（频率、增益、功率、的高频特性（频率、增益、功率、效率）效率） 采用

18、复合异质沟道层（如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（采用窄能隙（GaAs、InGaAs）基区）基区利用异质发射结效应全面改进利用异质发射结效应全面改进BJT的高的高频特性（频特性（ 、fT、 fmax） 采用双异质结（采用双异质结（EB发射结、发射结、 CB集电集电结）进一步改善集电结输运特性结）进一步改善集电结输运特性 利用异质

19、结构的选择腐蚀性（自停止利用异质结构的选择腐蚀性（自停止腐蚀性，如腐蚀性，如InGaP与与GaAs）实现）实现HBT工工艺中结平面的精确定位（艺中结平面的精确定位（10-1 nm精度）精度） 利用高钝化特性的异质生长层（如利用高钝化特性的异质生长层（如InGaP）实现）实现HBT发射结的低界面态表发射结的低界面态表面钝化保护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：异质半导体器件的设计：能带工程能带工程Schroedinger方程方程+ Poisson方程方程 异质界面间的电子转移异质界面间的电子转移波函数、子能级、态密度：波函数、子能级、态密度：2DEG面密度面密度 异质

20、半导体器件的设计参数异质半导体器件的设计参数层结构、厚度、掺杂浓度层结构、厚度、掺杂浓度 异质半导体器件设计的实现异质半导体器件设计的实现密切结合异质材料生长工艺：密切结合异质材料生长工艺：功能材料功能材料 同质半导体器件的设计：同质半导体器件的设计：掺杂工程掺杂工程Poisson方程方程化合物半导体材料技术进展化合物半导体材料技术进展实现功能结构材料的完美生实现功能结构材料的完美生长长异质结器件用功能材料的能力 “能带工程能带工程”设计的异质结构器件：设计的异质结构器件： 异质层厚度异质层厚度nm级及以下级及以下 异质界面异质界面单原子层完美过渡单原子层完美过渡 相邻异质层的掺杂浓度差相邻异

21、质层的掺杂浓度差超超过过5个数量级个数量级 外延生长技术的巨大突破外延生长技术的巨大突破“功能材功能材料料”： 分子束外延（分子束外延（MBE） 金属有机源化学汽相外延金属有机源化学汽相外延（MOCVD、MOVPE）二元二元多元多元 使用功能材料大大简化异质结构器件的加工复杂性：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保证了异质结器件设计的可实现性 器件纵向尺寸（器件纵向尺寸（10 -3 m精度）精度）III-V族化合物半导体的禁带宽度族化合物半导体的禁带宽度Eg与晶格常数与晶格常数a关系图关系图分子束外延（MBE）MBE生长原理及设备生长原理及设备有机金

22、属源化学汽相淀积（MOCVD）MOCVD系统工作原理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：目的： 克服原有衬底材料特性的缺点克服原有衬底材料特性的缺点 避免使用昂贵衬底材料：降低成本避免使用昂贵衬底材料：降低成本 根据器件与根据器件与IC设计要求实现衬底及外设计要求实现衬底及外延层的综合利用延层的综合利用 实现不匹配晶体之间的单晶层外延实现不匹配晶体之间的单晶层外延 发展中技术：发展中技术： Si衬底上外延衬底上外延GaAs、 GaN 、 SiC GaAs衬底上外延衬底上外延InP 蓝宝石衬底上外延蓝宝石衬底上外延GaN、SiC III-V高

23、温半导体技术高温半导体技术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对于固态大功率发射源的持续而又急迫需求需求固态源优势：小体积、长寿命、高固态源优势：小体积、长寿命、高可靠、轻重量可靠、轻重量（满足军事武器系统及民用微波发（满足军事武器系统及民用微波发射设备的特殊要求）射设备的特殊要求）固态源缺点：功率小、效率低固态源缺点：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）、散热特性功率电平（电流、电压）、散热特性 降低制造成本的要求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

24、度：高频、大电强场下高电子漂移速度：高频、大电流流 大禁带宽度：高温下保持器件的正大禁带宽度：高温下保持器件的正常工作常工作 高热导率：大功率下保持较低的结高热导率：大功率下保持较低的结温温 高击穿电场强度：提高器件外加电高击穿电场强度：提高器件外加电压来提高输出功率压来提高输出功率主要III-V半导体基本特性比较SiGaAsGaN4H-SiC禁带宽度（禁带宽度（eV）1.111.433.43.2相对介电常数相对介电常数11.812.89.09.7击穿电场（击穿电场（V/cm）6E56.5E535E535E5电子饱和速度（电子饱和速度（cm/s）1E71.2E71.5E72E7迁移率（迁移率（

25、cm2/Vs）135060001000800热导率（热导率（W/cmK）1.50.461.74.9GaN高温半导体技术 共同特点共同特点宽禁带半导体材料：高宽禁带半导体材料：高温工作（温工作（ 400 C）、高热）、高热导（减小重量、尺寸）导（减小重量、尺寸） GaN 器件特点：异质结构器件特点：异质结构提高提高电子输运特性电子输运特性 进展：固态微波大功率源：进展：固态微波大功率源：军事电子军事电子系统功率发射、系统功率发射、 民民用基站功放模块用基站功放模块 GaN X波段：单管波段：单管 10 （CW） 脉冲脉冲 7 W/mm，PAE 62% 军用军用现代相控现代相控 阵雷达阵雷达 1.

26、8-2.2 GHz：22 W（CW），），17 Db 移动通移动通信基站用信基站用 2 GHz：108 W CW 移动通信基站用移动通信基站用基站用GaN HEMT功放模块美国美国Cree Microwave频段：频段：2 GHz输出功率：输出功率：22 W（CW）增益：增益：17 dB频带：频带：400 MHz 2个个GaN 功率管功率管化合物半导体射频（微波）集成化合物半导体射频（微波）集成技术：微波单片集成电路（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类化合物半导体中载流子更优异的的输运特性输运特性：器件及

27、：器件及IC的工作频率可进入的工作频率可进入微波毫米波频段微波毫米波频段 GaAs类化合物半导体体材料的类化合物半导体体材料的半绝缘半绝缘特性特性：可作为较理想的微波电路基板材料：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类化合物半导体材料的优良的IC加工性能加工性能：可以解决微波频段：可以解决微波频段IC（MMIC）的制造难题的制造难题GaAs与Si基本特性的比较特性特性GaAsSi半绝缘性半绝缘性是是否否衬底电阻（衬底电阻（Ohm-cm）10E7-10E910E2-10E3介电常数介电常数12.911.7电子迁移率（电子迁移率（cm2/Vs）6000-8000700

28、饱和电子速度（饱和电子速度（cm/s）1.310E7910E6器件最高工作温度（器件最高工作温度（ C）250 200抗辐照能力抗辐照能力优异优异差差热导率（热导率（W/cm C）0.461.45Si 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微波电路的多样性导致使用的器件种类名目繁多寻求与寻求与Si-MOS相似的相似的“统一统一”器件：器件： （利用利用GaAs类类MESFETs在微波电路应用时的多功能性：在微波电路应用时的多功能性：解决解决 MMIC中微波器件的结构平面化与设计简化问题）中微波器件的结构平面化与设计简化问题） 应用频率（应用频率（RF及微波频段

29、）提高：及微波频段）提高：“路路”（集中元件）（集中元件）“场场”（电磁场）（电磁场） 设计复杂化：电磁场、设计复杂化：电磁场、寄生效应寄生效应寄生效应寄生效应元件的紧邻效应元件的紧邻效应 电路基板电路基板“非理想性非理想性”MMIC：功能电路：功能电路微波频率模拟微波频率模拟ICMESFETs MESFET的大动态范围的工作特性的大动态范围的工作特性 微波电路中微波电路中的的“多面手多面手” 替代各替代各种微波二极管种微波二极管 微波电路可用单一种类微波电路可用单一种类MESFET组成组成 大大简化大大简化MMIC的设计与制造复杂性的设计与制造复杂性 MESFET的准平面结构的准平面结构 +

30、 与与 微波无微波无源元件制造工艺源元件制造工艺的相容性的相容性 最终解最终解决决MMIC的可制造性的可制造性MMIC中使用的FETs的特殊性Si ICs：MOSFET的的“导通导通”与与“截止截止”化合物化合物MMICs：MESFET特性的不同区域特性的不同区域电路电路CAD设计用器件模型：十分复杂设计用器件模型：十分复杂大动态范围大动态范围线性与非线性工作区线性与非线性工作区微波频率下的延迟效应微波频率下的延迟效应微波频率下的寄生效应微波频率下的寄生效应异质结新原理器件大幅度改进MMIC性能 “三高三高”：高载流子输运特性、高器件设：高载流子输运特性、高器件设计灵活性、计灵活性、高工作结温高工作结温 异质结构异质结构FETs：HEMT、PHEMT、MHEMT 异质结双极型器件异质结双极型器件HBTs：单异质结：单异质结HBT、双异、双异质结质结HBT（DHBT） 宽禁带化合物半导体（宽禁带化合物半导体（GaN）的异质结器件）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异质结器件大大提高器件的工作频率：频率：GaAs PHEMTs：40-60 GHzInP HEMTs：100 GHz以上