半导体器件物理 课件 第7章 射频器件

半导体器件物理第七章射频器件7.1

射频二极管7.2GaAs和InPHEMT器件7.3GaN基HEMT器件7.4Si基LDMOSFET7.1射频二极管7.1.1肖特基势垒二极管结构和工作原理7.1.2负阻二极管结构和工作原理Si基射频半导体器件功率-频率特性较为均衡。GaAs和InP半导体器件工作频率很高，尤其InP器件，但是难以实现高功率输出。GaN基射频器件是通过高饱和电压来实现高的工作频率，其功率输出特性更为突出。95射频通常指300kHz~300GHz的无线电波传播频段，这一频段覆盖了传统定义中的高频、微波、毫米波、亚毫米波和太赫兹波。在现代通信技术中，射频则更多地被定义在GHz以上的微波/毫米波/亚毫米波的范围。射频半导体器件射频半导体器件和电路的功率-频率特性

制造射频器件的半导体材料包括以Si和Ge为代表的第一代半导体，以GaAs和InP为代表的第二代化合物半导体，以及以碳化硅（SiC）、GaN为代表的第三代宽禁带半导体，而以氧化镓（Ga2O3）、金刚石（Diamond）为代表的第四代超宽禁带半导体器件也处于研发中。7.1射频二极管

射频二极管的种类很多，从半导体器件机理的角度，射频二极管大致可分类为：

（1）基于pn结的二极管，如变容二极管、PIN二极管、隧穿二极管、雪崩二极管、阶跃二极管等，是利用pn结的结电容特性、电子隧穿特性、雪崩击穿特性、电荷存储特性进行工作的。

（2）基于金属-半导体接触的二极管，如肖特基势垒二极管，是利用金半接触整流特性和低电容快恢复特性进行工作的。

（3）基于体效应的二极管，如转移电子器件，是利用半导体材料的能谷间电子跃迁机理进行工作的。经过几十年的发展，基于现代半导体器件工艺技术的射频二极管工作频率已覆盖微波、毫米波和亚毫米波的广泛频段。7.1.1肖特基势垒二极管结构和工作原理SBD基本结构示意图和电路符号肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode，SBD）又称“肖特基二极管”，它具备低开启电压、低开态电阻、低结电容和高击穿电压的优良特性，在射频微波领域应用非常广泛。SBD基本结构如图所示，主要包括：阳极金属层、n型半导体层、n+型半导体层和阴极金属层。阳极金属与n型半导体层之间为肖特基接触。阴极金属与n+型半导体层之间为欧姆接触。与传统pn结二极管载流子输运机制不同，SBD属于多子导电机制器件。在现代半导体器件制造中，SBD多采用平面工艺实现。7.1.1肖特基势垒二极管结构和工作原理不同偏压情况下肖特基接触的能带图

肖特基接触特性(a)热平衡(b)正偏(b)反偏

式中Vj为肖特基结的外加偏压，若为反偏压则Vj用-VR表示。

反偏压VR增大，Emax最终达到临界击穿电场值Ecrit，VR即为肖特基结的反向击穿电压VBR。

7.1.1肖特基势垒二极管结构和工作原理SBD器件全能带结构图

SBD全能带结构完整描述SBD器件的能带结构如图所示，可见肖特基接触和欧姆接触的金属-半导体结具有完全不同的能带结构，因而两者的载流子输运特性具有显著的差别。7.1.1肖特基势垒二极管结构和工作原理

根据热电子发射理论，电子从半导体输运到金属和电子从金属输运到半导体而形成的总电流密度表示为：

SBD直流特性

实际器件制造过程中存在金-半结界面态、边缘漏电、寄生电阻等非理想效应，这些因素的影响通过在电流密度中引入理想因子n来表征，这种关系式又被称为理查逊-杜什曼方程，表示为：

式中JS为反向饱和电流密度。

若考虑二极管串联电阻RS的影响，则SBD的I-V特性可表示为：

式中A为二极管截面积，V为二极管外加偏置电压。采用现代平面工艺制造的肖特基结，其n值范围为1.05~1.1。SBD典型I-V特性曲线图影响SBD频率特性的主要因素是肖特基势垒电容（结电容）Cj和串联电阻RS。

上式中A为SBD的截面积，第二项为阳极接触直径为D时所引起的边缘效应，当频率很高时应予以考虑。

由于SBD只存在势垒电容而不存在扩散电容，其反向恢复时间只由结电容的充放电时间来决定，因此肖特基开二极管的开关速度非常快，呈现出优秀的高频特性。7.1.1肖特基势垒二极管结构和工作原理

SBD频率特性

在不考虑电流边缘效应的近似条件下，耗尽层宽度为xd时的肖特基势垒电容为：7.1.1肖特基势垒二极管结构和工作原理

SBD频率特性GaAs基SBD结构示意图和正向偏置等效电路串联电阻RS的构成如下

其中Rn、Rspr、Rcon分别为n型层耗尽区以外的体电阻、n+层扩展电阻和阴极欧姆接触电阻，如图所示。Ni/Ge/Au或Pd/Ge/Au体系Ti/Pt/Au体系根据SBD等效电路，可以推导出SBD的上限截止频率为

式中Ctot为肖特基结总电容，由零偏压下的结电容Cj0和其他寄生电容Cp并联组成。◆在SBD的设计和制造中，减小

RS和

Ctot是提高

fc的关键措施。在现代半导体器件技术中，射频SBD通常采用平面器件工艺来制造。尤其是当工作频率进入微波、毫米波波段后，采用平面工艺制造的SBD几乎成为了产业界的标准结构，因此又称“平面型SBD”，广泛采用化合物半导体GaAs材料来制造。GaAs平面型SBD结构示意图平面型SBD7.1.1肖特基势垒二极管结构和工作原理

平面SBD最早由英国巴斯大学的学者于20世纪80年代初提出，经过美国弗吉尼亚大学、美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)、德国达姆施塔特工业大学以及后来的英国卢瑟福阿普尔顿实验室(RAL)等研究机构的开创性工作，在20世纪80年代末和90年代得到了快速发展。7.1.1肖特基势垒二极管结构和工作原理平面型SBD中影响频率特性的电阻和电容分布示意图串联电阻RS的组成如下

式中μn和ND分别为缓冲层的电子迁移率和掺杂浓度，δbuf为趋肤深度，rc为阴极欧姆接触的内径半径，ra为阳极接触的内径半径。式中Rsh和为n+缓冲层薄层电阻，Wcon为欧姆接触边缘宽度，Lt为电流传播长度。总寄生电容Cp的组成如下

影响频率特性的器件结构参数7.1.1肖特基势垒二极管结构和工作原理

平面型SBD典型结构美国VDI公司美国JPL实验室德国ACST公司美国弗吉尼亚大学同向串联管芯反向串联管芯反向并联管芯应用于微波、毫米波倍频链、谐波混频器电路阴极阳极阴极阴极阳极7.1.1肖特基势垒二极管结构和工作原理高性能平面型SBD组件

实际应用的平面型SBD通常为多管芯串联和反向并联拓扑结构，如图所示，因此又被称为“SBD组件”，广泛用于微波毫米波倍频链、谐波混频器等电路中。

美国SBD代工厂，JPL和VDI一直是航天器上SBD产品的国际领先供应商，初创VDI公司的弗吉尼亚大学也拥有宇航级SBD的批量制造能力。

欧洲SBD代工厂，如德国ACST公司、瑞典查尔姆斯理工大学、法国巴黎天文台LERMA实验室和英国Teratech公司等，陆续开发了具有竞争力的宇航级SBD工艺，并在欧洲宇航局的航天任务中进行了演示验证。7.1.2负阻二极管结构和工作原理

负阻二极管是采用特殊结构的二极管，其产生的伏-安特性曲线在某一个（或几个）区域内呈现ΔV/ΔI为负值、即负微分电阻的现象，通常被称为负阻效应。利用这种负阻效应可构成“无耗”的谐振网络，从而产生稳定的高频振荡，这就是负阻振荡器的基本原理。产生负阻效应的二极管种类繁多，其负阻产生机制也不尽相同。

能够产生负阻效应的二极管种类繁多，其负阻的产生机制也不尽相同，其中两种典型的负阻二极管，一种是共振隧穿二极管，具备优秀的高频工作特性，另一种是雪崩碰撞电离二极管，具备优秀的高输出功率特性。7.1.2负阻二极管结构和工作原理共振隧穿二极管（ResonantTunnelingDiodes，RTD）

利用量子阱共振隧穿效应产生负微分电阻，而隧穿本质上是一种没有渡越时间限制的载流子输运机制，因此RTD被认为是响应速度最快的器件之一。由于nm尺度量子阱中的电子渡越时间很短且本征电容较小，因此RTD具有极高的响应频率。RTD器件结构和能带图一、RTD

如图所示，器件的核心部分——量子阱，由两个势垒层和一个势阱层组成，分别由厚度为1~3nm的宽带隙和窄带隙材料构成。量子阱外两侧的隔离层（Spacer）则用于阻挡外层重掺杂区的电子向量子阱区域扩散。最外层为重掺杂的发射极和集电极欧姆接触区，掺杂浓度一般高于1×1018cm-3。平衡态正偏7.1.2负阻二极管结构和工作原理双势垒量子阱中透射系数随入射电子能量的变化关系图量子阱隧穿机理

电子在量子阱中的隧穿输运过程由隧穿概率决定，但通常用透射系数来描述。图中给出了不同能量的电子隧穿通过双势垒量子阱时的透射系数变化。当入射电子能量与量子阱中分立能级对准时发生共振隧穿，而当电子能量与分立能级位置发生偏离时，透射系数迅速衰减从而隧穿终止，这充分体现了隧穿器件的工作特点。

对于完全对称的双势垒量子阱结构，可认为当两势垒隧穿概率完全相同，即TE=TC，则T(E=En)=1。而当偏离共振时，T(E)迅速下降。7.1.2负阻二极管结构和工作原理量子阱隧穿电流

RTD产生负微分电阻机制的过程分析RTD量子阱能带变化与I-V特性曲线RTD输出电流的组成模型隧穿电流——正面机制过剩电流——负面机制

7.1.2负阻二极管结构和工作原理

RTD隧穿电流的形成基于上述共振隧穿过程，构成RTD输出电流密度JRTD主要有两部分——共振隧穿电流密度JRT和过剩电流密度JEX，描述这两种电流密度的模型如右图所示。在设计RTD时必须设法使JRT相对于JEX尽可能大，使共振隧穿成为二极管的主要机制。RTD输出电流的负阻区7.1.2负阻二极管结构和工作原理

RTD隧穿电流的负阻区

7.1.2负阻二极管结构和工作原理

RTD的器件结构演进经过几十年的发展，目前基于InGaAs/AlAs材料体系的RTD已成为主流器件结构，衬底层也从半绝缘GaAs演变为半绝缘InP材料，先进RTD器件以东京工业大学浅田雅洋研究室所报道的成果最具代表性。GaN基RTD外延层经典结构传统的AlGaAs势垒层逐渐被AlAs势垒层取代现代InP基RTD外延层典型结构采用AlAs/InGaAs/AlAs量子阱结构

参数InP基RTDGaAs基RTD峰值电流密度1×10⁵-5×10⁵A/cm²1×10⁴-1×10⁵A/cm²峰谷电流比10:1-50:1（实验值）3:1-10:1上限截止频率0.5-2THz100-300GHz工作电压0.3-0.6V0.5-1.2V热导率68W/(m·K)55W/(m·K)InP基与GaAs基RTD的典型性能参数对比InGaAs/AlAsRTD器件结构和能带图7.1.2负阻二极管结构和工作原理（工作频率大于1THz）在这种先进的RTD结构中，双势垒量子阱采用非掺杂AlAs（~1nm）/In0.9Ga0.1As（2.5-3nm）/AlAs（~1nm）结构。◆

采用In组分增加至90%的InGaAs势阱层可以形成更深的势阱，降低了共振隧穿能级的高度，从而最大限度提升量子阱的隧穿特性。同时也降低了峰值电压VP，增大了NDR区的电压跨度ΔV，有利于提升输出功率。◆

采用厚度约1nm的AlAs超薄势垒层设计方案，旨在通过弹性应变维持来晶格结构的完整性。◆

发射极和集电极欧姆接触层设计为以n+InGaAs为主的复合层，以提升RTD的频率特性。◆

隔离层分别为发射极侧采用InAlGaAs、集电极侧采用InGaAs的设计方案，以维持材料层过渡的晶格生长完整性。

先进太赫兹InP基RTD器件结构InGaAs/AlAsRTD器件结构和能带图7.1.2负阻二极管结构和工作原理（工作频率大于1THz）

先进太赫兹InP基RTD器件结构经过特殊的器件结构设计，该RTD的峰值电流密度可达10-30mA/μm2，PVCR值为2~4。该RTD与12μm长度缝隙天线集成制作的负阻振荡器，在1.92THz振荡频率上可产生0.4μW的输出功率。虽然RTD各个层的参数都需要优化，但量子阱势垒厚度和势阱宽度对NDR特性的影响更为直接，因此量子阱结构参数是需要首先进行设计和优化的：RTD内电子输运的总延迟时间τ由共振隧穿区的本征延迟时间τrtd和集电区所形成的耗尽区渡越时间τdep组成，减小τrtd可通过减薄势垒和势阱结构实现。但是减薄是有限度的，因为在厚度仅有几个原子层的尺度下，要保证势阱和势垒的界面均匀性是非常困难的。此外，隔离层厚度对耗尽区电容Cdep的作用和对渡越延迟时间τdep的作用之间相互制约，所以RTD最高振荡频率随隔离层厚度的变化也存在一个优值范围。7.1.2负阻二极管结构和工作原理RTD负阻振荡器RTD和缝隙天线构成RTD振荡器最为广泛。典型RTD的核心电路参数包括负微分电导-GRTD和本征电容CRTD，其他对器件频率特性产生显著影响的参数还包括体串联电阻RS、接触电阻和电容Rc、Cc等。在实际电路设计中，RTD与缝隙天线和MIM电容所构成的振荡器等效电路通常如图所示，其中缝隙天线既作为谐振器也作为信号辐射源。

实现负阻振荡的前提是GRTD>GANT由RTD、MIM电容和缝隙天线构成的负阻振荡器等效电路7.1.2负阻二极管结构和工作原理RTD振荡器技术进展随着RTD器件和电路技术的快速发展，RTD振荡器作为已经或接近实用化的亚毫米波频率源，其输出功率和转换效率已展现出巨大的应用潜力，有望推动太赫兹成像和6G通信等领域的发展进程。(a)功率密度(b)直流-交流转换效率亚毫米波频率的功放和频率源的功-频特性比较经典结构IMPATT二极管的掺杂分布、电场分布和电离积分特性二、IMPATT二极管7.1.2负阻二极管结构和工作原理

利用半导体pn结在一定条件下产生碰撞电离雪崩渡越时间（ImpactIonizationAvalancheTransitTime，IMPATT）机理从而产生负阻效应，基于这种机制的二极管被广泛称为

“IMPATT二极管”或“崩越二极管”。IMPATT二极管大都由p+-n-i-n+结构的里德二极管和p+-i-n+结构的Misawa二极管发展而来，主要分为单漂移区（SDR）结构和双漂移区（DDR）结构两大类型，在掺杂方式上有高-低（Hi-Lo）掺杂结构、低-高-低（Lo-Hi-Lo）掺杂结构等。新型IMPATT二极管中也有使用金属-半导体结替代pn结的器件结构。简化型里德二极管改进型里德二极管改进型里德二极管DDR二极管所谓IMPATT二极管的负阻效应，即二极管输出电流和电压之间将有接近于π的总相位差，则呈现出dV(t)/dI(t)为负值的现象。P+-N-N+SDR结构IMPATT二极管结构和工作原理激励电压和感应电流之间的相位差为πIMPATT二极管电压和电流波形7.1.2负阻二极管结构和工作原理IMPATT二极管的动态特性沿x轴注入电荷从开始产生到形成会有一个时间延迟，由于是注入电荷引起的延迟，所以被称为注入延迟Φ，所形成的电流J0被称为雪崩注入电流。注入的电荷包进入漂移区以后以饱和漂移速度穿越该区，引起时间的消耗即为渡越时间效应，造成的相位延迟为θ，也产生了感生的外电流Jind。该电流-电压关系如图所示，清楚地显示了注入延迟和渡越时间延迟共同组成了交流电压和电流的相位差。

注入延迟相位角Φ分别为π/2和π时函数y(Φ,θ)随θ的变化

7.1.2负阻二极管结构和工作原理IMPATT二极管的动态特性

两种典型的IMPATT负阻振荡器的电路结构示意图，(a)为电流源激励的振荡电路，(b)为电压源激励的振荡电路。7.1.2负阻二极管结构和工作原理IMPATT二极管的负阻振荡频率7.1.2负阻二极管结构和工作原理IMPATT二极管的转换效率

式中，Ĵ为方波电流的平均值，VA和VD分别为雪崩区和漂移区的直流压降。该式被称为Scharfetter-Gummel半定量效率公式，考虑到击穿电压VB与上述压降之间的关系为VB=VA

+VD，则得到半定量公式的另一种形式交流电压调制因子m为雪崩注入电荷Qava以饱和速度渡越过漂移区时产生的交流电压的振幅VRF与漂移区两端直流压降VD的比值，即m=VRF/VD（m≤1）。

随着频率的提高VA/VD最佳值有增加的趋势。因为高频工作的IMPATT器件漂移区将被设计的更薄，从而其直流压降VD将随之减小，然而为了维持雪崩产生率，雪崩区的厚度并不能等比例缩小，即便是优化设计了不同区域的掺杂浓度，在总偏置电压VB中雪崩压降VA所占比例仍会有增加的趋势。显然，这种VA/VD最佳值的增加会造成最大效率降低，GaAs基SDR二极管的实验结果与已经证明了这种变化趋势，即，频率越高的IMPATT二极管，其转换效率越低。7.2GaAs和InPHEMT器件7.2.1GaAs频率特性7.2.2GaAsHEMT结构演变7.2.3InPHEMT器件7.2GaAs和InPHEMT器件概述高电子迁移率晶体管（HighElectronMobilityTransistor，HEMT）从金属-半导体场效应晶体管（MESFET）演变而来，它采用异质结形成沟道，利用具有高电子迁移率特性的2DEG进行载流子输运，具有优异的高频、低噪声和高功率特性，因此又被称为异质结场效应晶体管（HeterojunctionFieldEffectTransistor，HFET）。鉴于GaAs、InP基异质结是采用势垒层掺杂调控形成2DEG的工艺，因此早期又称之为调制掺杂场效应晶体管（Modulation-dopedFieldEffectTransistor，MODFET）。自从1980年首次报道GaAs基HEMT器件和1993年首次报道GaN基HEMT器件以来，经过几十年的发展，HEMT已迅速成为微波/毫米波应用领域的主流器件类型。2019年12月18日，HEMT获颁IEEE里程碑牌，以表彰HEMT为通信领域做出的重大贡献——“……HEMT是第一个在两种具有不同能隙的半导体材料之间结合界面的晶体管”。HEMT由于其高迁移率的沟道载流子而被证明优于以前的晶体管技术，从而具有高速和高频性能，已被广泛用于射电望远镜、卫星广播接收器和蜂窝基站，成为支持信息和通信社会的一项基本技术。复合势垒结构示意图HEMT结构的核心就是在势垒层和缓冲层之间形成了一个AlGaAs/GaAs异质结，通过调制掺杂在异质结界面处的GaAs一侧形成了极薄（厚度仅为几纳米）的高密度2DEG沟道层，这个位于较窄禁带的GaAs层中的2DEG薄层与其上较宽禁带的AlGaAs层中的杂质在空间上相互分离，因此电子运动几乎不受电离杂质散射影响，从而这些高密度电子将会在漏/源电场的驱动下以极高的迁移率进行输运。为了进一步提高HEMT沟道中2DEG的输运特性，需要更有效地实现沟道中电子和势垒层中电离施主杂质的分离，以减小掺杂势垒层的杂质库伦散射对2DEG迁移率的影响，从而提升器件的频率特性。因此在HEMT发展过程中已经对AlGaAs势垒层结构进行了改进：在i-GaAs缓冲层之上首先生长一层未掺杂AlGaAs（i-AlGaAs）层，通常也被称为隔离层（Spacer），然后再生长n-AlGaAs势垒层。目前这种n-AlGaAs/i-AlGaAs复合势垒层已取代了均匀掺杂n-AlGaAs势垒层，而成为现代GaAsHEMT器件的典型势垒层结构。GaAs基HEMT器件基本结构示意图概述HEMT特征频率fTHEMT最高振荡频率fmax

HEMT最佳噪声系数Fmin7.2.1GaAsHEMT频率特性

由于HEMT与JFET、MESFET具有相似的小信号器件模型，因此HEMT的频率特性分析方法也与之类似。7.2.2GaAsHEMT结构演变一、GaAspHEMTGaAsHEMT属于常规的无应变沟道结构器件，即，HEMT缓冲层和沟道层采用相同的GaAs材料。在HEMT器件几十年的发展过程中，针对沟道材料和结构进行改进的众多HEMT器件中，最具代表性的器件属赝晶HEMT（pseudomorphicHEMT，pHEMT），它具有高频、高功率、高效率和低噪声特性，在射频功放、低噪放中有广泛的应用。GaAspHEMT的核心技术就是用具备高电子迁移率的InGaAs替代GaAs作为2DEG沟道层，构成了AlGaAs势垒层/InGaAs沟道层/GaAs衬底层的典型外延层结构，这是因为相比于AlGaAs/GaAs异质结，AlGaAs/InGaAs异质结具有大的导带断续、优异的量子阱载流子限域特性和沟道电子传输特性，可实现更高的输出电流密度和跨导。由于In元素的引入会引起InGaAs沟道与GaAs衬底之间的晶格失配，故pHEMT器件制造的关键工艺是如何采用最佳工艺条件、在最佳厚度条件下生长低缺陷密度、无应变弛豫的高结晶质量InGaAs层。依据先进的外延技术，当前已经能够实现0~35%In组分变化的高质量InGaAs生长。7.2.2GaAsHEMT结构演变GaAspHEMT中的δ-掺杂工艺为了提高InGaAs沟道层中2DEG的输运性能，其中最典型的一种工艺改进就是在n-AlGaAs势垒层/i-AlGaAs隔离层的结构中引入“硅平面掺杂层”，称为“Siδ-掺杂层”。依托先进的外延生长工艺，δ-掺杂层可实现~1nm超薄层的掺杂限域分布，通常用面密度来表征其掺杂剂量，能够高效率地向沟道层提供载流子，又称载流子提供层。采用δ-掺杂工艺可使沟道层产生更高的2DEG密度，因此在器件设计中可减小势垒层的厚度从而增加L/d比值，这对异质短沟道效应有很大的帮助，又提高了器件的输出电流密度、跨导和截止频率。基于δ-掺杂的GaAspHEMT器件剖面示意图δ-掺杂层（厚度~1nm，掺杂面密度~1012/cm2）7.2.2GaAsHEMT结构演变GaAspHEMT中的δ-掺杂工艺基于δ-掺杂的GaAspHEMT器件剖面示意图δ-掺杂层（厚度~1nm，掺杂面密度~1012/cm2）

7.2.2GaAsHEMT结构演变GaAspHEMT中的双δ-掺杂工艺双δ-掺杂GaAspHEMT器件剖面结构示意图另一种先进GaAsHEMT器件结构，其特点是在InGaAs沟道层的上、下两侧都采用了δ-掺杂层，因此也被称为双δ-掺杂结构。双δ-掺杂结构更有利于降低电离杂质散射、提升2DEG沟道层的电子限域特性和输运能力，能够给InGaAs沟道提供更高的电子浓度，从而获得更大的电流密度驱动能力、更高的本征跨导和更好的跨导平坦度，同时可以提高击穿电压、减小栅极输入电阻等。具有双δ-掺杂结构的GaAspHEMT器件结构特点是采用了上、下两个δ-掺杂层外加AlGaAs隔离层，将InGaAs沟道层夹在中间，形成了“三明治”结构。这种器件的具体外延结构为：在半绝缘GaAs衬底上首先交替生长GaAs和AlGaAs复合缓冲层，以形成结晶质量良好的缓冲层，其上依次生长δ-掺杂层、AlGaAs隔离层、InGaAs沟道层、AlGaAs隔离层、δ-掺杂层、n-AlGaAs势垒层和n+-GaAs帽层。7.2.2GaAsHEMT结构演变GaAspHEMT中的双δ-掺杂工艺为了获取最佳的沟道输运特性，研究表明，上、下两个δ-掺杂层通常采用不同的掺杂面密度，上层掺杂面密度大于下层掺杂面密度，其中下δ-掺杂层的面密度在1×1012cm−2左右。采用这种相对较低的下δ-掺杂层面密度，是为了更好地维持栅对沟道2DEG的控制能力，并方便调整阈值电压。这是因为沟道2DEG特性对δ-掺杂层非常敏感，如果下δ-掺杂层的掺杂面密度过高，虽然对沟道产生较大的影响，但该δ-掺杂层远离栅端，从而几乎不为栅压所控制。相比而言，上δ-掺杂层更靠近栅端，从而采用较高的掺杂面密度有益于沟道输运特性同时更容易受栅压的调控。因此调整上、下两个δ-掺杂层的掺杂面密度比例，可实现噪声系数、线性度、输出功率之间的平衡设计。双δ-掺杂面密度比例（下层/上层）对器件特性的影响7.2.2GaAsHEMT结构演变InGaP/InGaAspHEMTGaAspHEMT器件结构的另一种改进方案是采用InGaP替代AlGaAs作势垒层。双δ-掺杂InGaP/InGaAs/GaAspHEMT器件结构示意图InGaP具有更大的禁带宽度（Eg=1.91eV），作为势垒层能有效降低栅泄漏电流。不含Al元素的InGaP势垒中几乎没有深能级复合中心，因此在高压大电流工作下其射频摆幅特性占优。InGaP与GaAs之间优良的晶格匹配（In组分为0.48~0.49）可有效提升器件的高场击穿电压。InGaP与GaAs之间的高刻蚀选择性使得器件的凹槽栅刻蚀工艺更加精确和简便。在双δ-掺杂结构的作用下，同时InGaP势垒层本身具有较低的表面势，对提高HEMT的跨导平坦度有很大的作用，从而对降低IM3（IM3正比于gm的二阶导数）、提高IP3（IP3反比于gm的二阶导数）和减小Fmin等有很大的帮助，因此InGaP/InGaAspHEMT已成为改善射频功率HEMT器件线性度的重要选择。GaAsmHEMT关键技术是采用了特殊的渐变组分的四元InGaAlAs缓冲层，即在GaAs衬底上，从In组分为零的GaAlAs开始生长，逐渐变为In组分很高的InAlAs层，直到与InGaAs沟道层所需的In组分相匹配。由于渐变组分InAlGaAs缓冲层比较厚，因此实际外延中一般采用超晶格生长方法，生长过程中产生的位错被控制在层内，其上再生长晶格常数匹配的InGaAs沟道层。采用InGaAs复合沟道(左)和InGaAs单沟道(右)的GaAsmHEMT外延结构示意图二、GaAsmHEMT7.2.2GaAsHEMT结构演变

随着异质外延技术的发展，一种采用渐变In组分InAlGaAs的外延生长方法逐渐成熟，能够在GaAs衬底上最终实现高In组分InGaAs沟道结构。基于这种外延技术制备的HEMT器件被称为metamorphicHEMT，简称mHEMT。7.2.2GaAsHEMT结构演变GaAsmHEMT结构优化GaAsmHEMT外延结构示意图，其中(a)为InGaAs复合沟道，(b)为InGaAs单沟道开态击穿（on-statebreakdown）电压较低是GaAsmHEMT器件的缺点，这源于沟道内的碰撞电离和较高In组分。为了解决这个问题，一种折中的方法是适当降低In组分至35%~45%之间，而另一种更为先进的方法是采用复合沟道结构。复合沟道是指在InGaAs沟道中采用不同In组分的分层，一层是为了在低、中电场下维持最佳的输运特性，另一层是为了在高场下抑制碰撞电离的影响。制成器件（德国IAF）的测试结果：采用单δ-掺杂复合沟道结构的50nm栅长InAlAs/InGaAsmHEMT，获得了fT/fmax=370/670GHz、gm-max=2100mS/mm的优良特性；采用双δ-掺杂单沟道结构则可以更有效地抑制短沟道效应，在35nm栅长mHEMT器件的测试中，获得了fT/fmax=550/1000GHz、gm-max=2500mS/mm的优良特性。7.2.3InPHEMT器件InPHEMT基本器件结构主要由InP衬底、InGaAs沟道和InAlAs势垒几部分组成。除了采用InGaAs作为2DEG沟道层，势垒层也演变为InAlAs加δ-掺杂层结构，这些器件结构改进大幅提升了HEMT器件的频率特性。InPHEMT器件结构示意图InPHEMT器件结构InP衬底可与In0.53Ga0.47As沟道层、In0.52Al0.48As势垒层之间实现无应变的近似晶格匹配，从而在InP衬底上外延生长的In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As异质结可显著降低界面缺陷和位错，因此已成为常规InPHEMT器件的标准In组分。砷系三元化合物的禁带宽度和晶格常数曲线图7.2.3InPHEMT器件持续提高In组分以提升InGaAs的高迁移率性能，通过In组分从53%到80%的变化来实现赝晶层的高质量生长，因此基于这种外延结构的InPHEMT又被称为InPpHEMT。当栅长减小至50nm以后，采用带有InAs插入层的InGaAs/InAs/InGaAs复合沟道设计已成为器件性能提高的关键因素。在如此高的In组分下仍能保证沟道赝晶层的高质量，这是以先进外延生长工艺为支撑的技术改进。采用InGaAs/InP或InGaAs/InAs复合沟道结构，即在InGaAs沟道层中插入生长InP或InAs薄层，用于提高器件特性的均匀性和可靠性，其中InGaAs/InP复合沟道适合于制作高压大功率器件，InGaAs/InAs复合沟道可提高电流驱动能力。InPHEMT器件结构演变InPHEMT、GaAsmHEMT和GaAspHEMT的fT特性比较与GaAspHEMT相比，由于采用了最先进的器件结构和工艺，在亚毫米波频率范围，InPHEMT与GaAsmHEMT已经呈现出了相比拟的优异特性。GaAsmHEMT对外延生长技术要求极高，但其采用GaAs衬底的成本较低。InPHEMT衬底的成本较高，但其外延生长相对简单，且具有近似无应变晶格匹配的固有优势。7.2.3InPHEMT器件GaAsHEMT与InPHEMT器件频率特性比较7.3GaN基HEMT器件7.3.1GaNHEMT器件结构和特性7.3.2射频功率GaNHEMT7.3.3AlGaN/GaNHEMT的相关效应7.3

GaN基HEMT器件GaN材料分别呈Ga面极性和N面极性，可统称为c面。通常采用MOCVD生长方法可以获得高质量的Ga面极性GaN材料。目前大规模量产的方法多采用在c面蓝宝石衬底上生长获得该材料。而较高质量N面极性GaN材料，目前大多采用MBE生长方法获得。Ga面GaN与N面GaN的晶体结构示意图GaN材料作为第三代半导体材料的典型代表，具有优异的材料特性。相比于GaAs和InP基HEMT，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT（以下简称GaNHEMT）具有更高的沟道二维电子气浓度、更高的击穿场强、更高的功率密度、更高的温度稳定性和抗辐射性。因此，GaNHEMT在雷达、基站、卫星通信、电子战等射频和高功率领域，得到广泛的应用。概述AlGaN/GaN异质结平衡态能带图AlGaN/GaN异质结具有强烈的自发极化和压电极化效应，使得异质结中两种半导体材料的能带倾斜，加深异质结界面的导带势阱，将电子限制在该势阱中，形成高电子面密度的2DEG。如图所示，沿[0001]方向生长的是Ga面异质结，AlGaN势垒层薄膜生长在GaN上受到张应变，AlGaN/GaN界面处会形成密度为+σ的带正电的极化电荷，从而吸引自由电子聚集到AlGaN/GaN异质结界面处GaN一侧的量子阱中。这些电子被限制在厚度为nm级的量子阱中，仅限于沿着异质结界面的二维平面方向自由运动，而在与异质结界面垂直的方向运动受到限制，这便形成了2DEG的输运特性。无论有无调制掺杂，在AlGaN/GaN异质结都可以获得高面密度的2DEG，并且GaN层内没有电离施主散射效应，因此该2DEG具有高的迁移率，在GaNHEMT中形成了高性能导电沟道。概述2DEG的电子可能主要来自于GaN材料体内陷阱和AlGaN材料表面态。式中PSP和PPE分别为自发极化和压电极化，由下式给出：

在AlGaN和GaN材料界面处，极化电荷面密度σ可以表示为：概述2DEG的电子可能主要来自于GaN材料体内陷阱和AlGaN材料表面态。

GaN一侧的量子阱底部导带能级与费米能级之差ΔEF则表示如下概述器件结构由下至上分别是衬底层、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层、GaN帽层以及SiN钝化层。肖特基接触的栅极金属层采用镍/金（Ni/Au），源、漏电极金属层一般采用钛/铝/镍/金（Ti/Al/Ni/Au）在高温退火后形成复合金属结构，以形成低阻欧姆接触。AlGaN/GaNHEMT射频功率器件剖面结构示意图7.3.1GaNHEMT器件结构和特性如图所示的GaNHEMT结构中，器件的源极和漏极需与异质结中的2DEG形成欧姆接触，在源漏电压VDS的作用下产生横向电场，驱动2DEG沿异质结界面输运，形成输出电流ID。同时，肖特基势垒栅利用栅极电压VGS的耗尽作用来控制2DEG沟道的开启和关闭，以达到对ID的调制目的。AlGaN/GaNHEMT阈值电压Vth表达式为：由上式可以看出，由于GaN材料独有的极化效应，需要引入极化电荷σpol对阈值电压的影响，该极化电荷也是GaNHEMT与GaAsHEMT在阈值电压表达式上的主要区别。由于极化效应，AlGaN势垒层不需要掺杂，GaNHEMT就能获得较高的沟道电子浓度，AlGaN势垒层的n型掺杂反而会引起沟道载迁移率的下降。

7.3

GaN基HEMT器件7.3.1GaNHEMT器件结构和特性其中，ND和dd分别是n-AlGaN层的掺杂浓度和厚度，σpol为AlGaN/GaN异质界面处的总极化电荷。极化效应的作用AlGaN/GaNHEMT射频功率器件输出特性曲线示意图AlGaN/GaNHEMT射频功率器件转移特性曲线示意图7.3.1GaNHEMT器件结构和特性一组实测的SiC衬底GaNHEMT输出特性和转移特性曲线如图所示，器件栅长为0.15μm，源漏电极间距为2μm。器件为耗尽型，测得其阈值电压为-4.8V。器件的最大饱和电流约为2.4A/mm，峰值跨导约为550mS/mm。HEMT直流特性栅长为60nm的AlGaN/GaNHEMT截止频率和最大振荡频率7.3.2射频功率GaNHEMT与GaAs基HEMT器件类似，实际器件的频率特性测量时，可以通过S参数测量得到电流放大系数h21和单向功率增益（UnilateralPowerGain，UPG），从而得到器件的

fT和

fmax。

通过测量变频S参数获得h21和UPG变为0dB时对应的频率，即fT和fmax。当GaNHEMT栅长进入nm尺度，可以将工作频率提升至毫米波/亚毫米波频段。图中给出了栅长为60nm的GaNHEMT频率特性测试结果，通过线性外推可得器件的fT约为177GHz，fmax约为365GHz。缩小栅长并抑制短沟效应是提高射频GaNHEMT器件频率特性的关键缩小栅长并抑制短沟效应是提高射频GaNHEMT器件频率特性的关键GaNHEMT栅长与截止频率的关系7.3.2射频功率GaNHEMT

图中所示为测试得到的GaNHEMT器件fT随栅长的变化规律，可以看出，减小栅长对提高器件的频率特性作用显著。

为了保证器件不出现明显的短沟道效应，当栅长减小的情况下就需要减薄势垒层的厚度。但是，随着AlGaN势垒层厚减薄，沟道中的2DEG面密度会出现明显的下降，这对沟道电流和功率特性有不利的影响。因此在势垒层厚度减薄的情况下，一般采用增加AlGaN势垒层的Al组分来增大极化效应，弥补沟道2DEG面密度的下降，或者将势垒层更换为具有更强极化效应的材料。超薄势垒AlGaN/GaNHEMT器件剖面结构

器件T型栅区TEM图

栅长为100nm和70nm时分别获得了fT/fmax为157GHz/334GHz和211GHz/379GHz的频率特性，fT×L高达16.6GHz⸱μm。器件采用了T型栅结构，在保证栅与半导体接触的栅长较小的情况下，增大了栅帽长度，从而减小了栅电阻，有利于提高器件的fmax。采用超薄势垒结构可有效抑制短沟道效应，并辅以SiN钝化层产生的应力可弥补势垒层减薄带来的电子浓度下降，使得器件获得较好的综合指标。7.3.2射频功率GaNHEMT

基于4H-SiC衬底的4nm超薄势垒Al0.2Ga0.8N/GaNHEMT器件结构和T型栅剖面图像如图所示。器件采用了20nm原位SiN钝化技术，在钝化层产生的压应力作用下，沟道2DEG面密度达到了1.26×1013cm-2、薄层电阻降至312Ω/□。基于AlN/GaN/AlGaN结构的自对准工艺HEMT器件剖面结构

栅长为20nm时器件的fT/fmax可达342GHz/518GHz。超薄势垒层结合背势垒外延结构的采用，也有利于解决器件短沟道效应，使器件实现了fT/fmax随栅长减小近似呈线性增加的趋势。

如图所示为外延层为AlN/GaN/AlGaN背势垒结构的耗尽型和增强型GaNHEMT器件。横向结构上采用自对准栅工艺极大地减小了源-漏间距，

在源、漏欧姆接触区采用了MBE再生长n+-GaN工艺。大幅降低了HEMT非本征区域寄生参数的影响。对耗尽型器件，实现了导通电阻Ron=0.23Ω⸱mm、最大漏极电流IDM>4A/mm、峰值跨导Gm>1S/mm的性能。7.3.2射频功率GaNHEMT采用背势垒的结构也可以提高2DEG的限域特性，并抑制短沟道效应。射频功率GaNHEMT需要同时满足高频率和高功率两个方面的需求。GaNHEMT的在片功率特性负载牵引测试曲线

7.3.2射频功率GaNHEMT

如图所示为SiC衬底GaNHEMT的在片负载牵引射频功率特性测试结果，，在测试频率为8GHz、栅极偏压为-5.5V、漏极电压为35V的测试条件下，最大输出功率达到1.14W（功率密度11.4W/mm），最高功率附加效率为62%。

要得到大的输出功率不仅要得到大的饱和源漏电流，还要尽可能的提高击穿电压和降低饱和电压。在大功率器件设计中，主要考虑增大器件栅宽来增大器件电流，实现输出功率的提升。8mm栅宽GaNHEMT照片SDDSGGG0.5μm

由于栅极靠漏极一侧的电场集中效应，栅漏电极间距的增加对击穿电压的提高非常有限。为了分散栅极靠近漏极一侧的电场集中效应，采用场板结构已经成为射频高功率GaNHEMT的标准结构。通过场板将栅极靠近漏极一侧集中的电场峰值分散，器件的击穿电压能够有效提高。有、无场板结构时器件耗尽层中电力线分布对比7.3.2射频功率GaNHEMT

宽禁带GaN基HEMT的最大优势就是在高电场、高电压下具备优异的射频输出特性。然而，在漏电极施加更高的工作电压时，栅极到漏极的电场会不断增强，当栅漏电极之间的某处电场峰值达到GaN材料的临界击穿场强附近时，有可能引起栅漏电极间的击穿。增加栅电极到漏电极的距离，能降低栅漏电极间的电场，从而提高漏击穿电压。

场板结构GaNHEMT

源场板是从源电极连接出来，也能达到分散栅和漏电极之间电场的效果。与栅场板相比，采用源场板能更好的降低栅电容效应从而提高器件的频率特性。

从对器件工作频率的影响方面考虑，采用过长的场板尺寸会带来更大的寄生电容，这不利于器件射频性能的提高。具有栅场板和源场板的GaNHEMT结构示意图7.3.2射频功率GaNHEMT

栅场板与源场板电流崩塌效应是对GaNHEMT影响较大的可靠性问题，材料中的陷阱在频率较高、电场较强的应用环境下俘获电子，引起沟道载流子减少、沟道电流减小。引起电流崩塌的陷阱多存在于缓冲层或材料表面态中。提高材料质量能降低缓冲层陷阱。通过表面钝化可以减少表面电子陷阱，抑制电流崩塌效应。GaNHEMT中表面陷阱和缓冲层陷阱引起电流崩塌效应示意图一、电流崩塌效应7.3.3AlGaN/GaNHEMT的相关效应7.3.3AlGaN/GaNHEMT的相关效应如图所示，IDM和VDS(sat)分别为器件在直流扫描下测得的最大饱和电流和饱和电压，由于电流崩塌效应的存在，使得器件在高频大信号工作过程中，IDM下降、VDS(sat)增加，最大跨导减小，从而引起器件输出功率密度和功率附加效率减小。电流崩塌效应示意图电流崩塌效应实测图电流崩塌效应的实验现象材料本身存在的弹性能与逆压电极化效应产生的弹性能之和超过材料的承受极限时，AlGaN势垒层内部就会发生晶格开裂，从而释放应力。晶格断裂会在材料内部产生大量缺陷，并形成漏电通道，导致栅极泄漏电流增大，以及器件特性退化。GaNHEMT中逆压电效应示意图二、逆压电效应7.3.3AlGaN/GaNHEMT的相关效应强电场作用后栅极靠漏侧边缘TEM图7.4Si基LDMOSFET7.4.1LDMOSFET的工作原理7.4.2RFLDMOSFET关键结构7.4.3RFLDMOSFET器件模型SiLDMOSFET原理结构示意图7.4Si基LDMOSFET7.4.1LDMOSFET的工作原理一、器件原理结构LDMOSFET是在N-型Si外延上采用横向双扩散技术，即在源极区先采用