分析方法及化合物半导体器件

TRACEANALYSIS:SOLUTIONBASEDVSDIRECTSOLIDSAMPLING痕量分析：溶液样品和固体样品仲月瑶（辉光放电质谱法）感应耦合等离子体-质谱仪电感耦合等离子体发射光谱原子吸收光谱X射线荧光光谱仪InP基高电子迁移率晶体管仲月瑶主要内容1、发展背景以及国内外研究现状2、InP基HEMT的优势3、InP基In0.53GaAs/In0.52AlAs高电子迁移率晶体管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。在众多的III-V族化合物半导体器件中，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，独立研发高频InPHEMT器件是非常必要的。发展背景

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,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。InP

基HEMT的优势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。InP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。GaAs、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。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。InP基In0.53GaAs/In0.52AlAs高电子迁移率晶体管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。器件性能由于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。样品制备用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。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X>0.53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。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