GaN基微波半导体器件分析和比较

宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）以其良好的物理化学和电学性能成为继第一代元素半导体硅（Si）和第二代化合物半导体砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷化铟（InP）等之后迅速发展起来的第三代半导体材料。与目前绝大多数的半导体材料相比，GaN 具有独特的优势：禁带更宽、饱和漂移速度更大、临界击穿电场和热导率更高，使其成为最令人瞩目的新型半导体材料之一。目前，GaN 基发光器件的研究已取得了很大进展[1~ 3] ，在国外工作于绿光到紫光可见光区内的GaN LED 早已实现了商业化[2]；国内多家单位成功制作了蓝色发光二极管，并初步实现了产业化[3]。而众多的研究[4~ 14] 表明，GaN 材料在制作耐高温的微波大功率器件方面也极具优势。笔者从材料的角度分析了GaN 适用于微波器件制造的原因，介绍了几种GaN 基微波器件最新研究动态，对GaN 调制掺杂场效应晶体管（MODFETs）的工作原理以及特性进行了具体分析，并同其他微波器件进行了比较，展示了其在微波高功率应用方面的巨大潜力。

1、材料特性

GaN 基微波器件所展现出的良好性能与其基础材料特性是密不可分的。从表1 可看出，与Si、GaAs 和SiC 相比，GaN 的禁带宽度最宽、击穿电场最高、热导性也明显优于Si 和GaAs，充分表明GaN 材料在微波大功率器件制造方面所具有的巨大的优势。

表1、GaN 材料特性参数

图1是300 K 时GaN、Si、SiC 以及GaAs 的电子漂移速度同电场的关系。从图中可看出GaN 的电子饱和漂移速度明显高于其他材料，表明GaN 非常适于制造高功率、大电流器件[15]。另一方面，GaN 具有较高的电子迁移率（体材料中为1 000 cm/（V·s）），使得在制造GaN 微波器件时会产生低的寄生和通道电阻，从而获得具有良好特性的器件。此外，作为直接带隙半导体材料，GaN 与AlN 可形成带隙从3.4 eV到6.2 eV连续变化的合金，形成可掺杂、可调制的AlGaN/ GaN 异质结结构，利用这种结构形成的量子化二维电子气（2DEG）效应可以获得更高的电子迁移率和饱和电子漂移速度。目前，AlGaN/ GaN 异质结构正逐步被应用于微波器件制造领域。笔者对AlGaN/ GaN 异质结和AlGaAs/ GaAs 异质结的一些重要参数进行了比较，见表2。从表中可看出，AlGaN/GaN 异质结结构比AlGaAs/ GaAs 异质结具有明显的材料优势，更适于微波应用。西安电子科技大学利用MOCVD 分别在蓝宝石和SiC 衬底上生长出优质的AlGaN/ GaN 异质结材料，目前在蓝宝石上得到的该材料室温下2DEG 的迁移率与面电荷密度积已经达到2X1016/（V·s）。

图1、300K 时GaN、Si、SiC 及GaAs电子漂移速度同电场的关系 

表2、AlGaN/ GaN 异质结与AlGaAs/ GaAs 异质结关键参数的比较

2、GaN基微波器件

低的热产生率和高的击穿电场已经使GaN 成为研究和制造微波高功率器件的重要半导体材料。目前，随着生长威廉希尔官方网站 的不断发展以及薄膜生长关键威廉希尔官方网站 的突破，多种GaN 异质结构已被成功地生长出来，包括金属半导体场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管（HFET）、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）以及金属绝缘场效应晶体管（MISFET）等微波器件。

2.1、MESFETs

采用宽禁带半导体GaN 制作MESFET，具有广阔的微波功率放大的应用前景。人们通常直接利用GaN 具有宽的禁带及简单的制造工艺优势，采用传统的MESFETs 基本理论制造GaN MESFETs。

1993 年，Khan 等人[16] 采用低压MOCVD 方法在蓝宝石衬底上首次制造了GaN MESFET。他们采用薄的AlN 层作为缓冲层以提高GaN 膜的质量，用Ti/ Au 作为源漏欧姆接触，银作为栅肖特基，分别用H+ 离子注入和离子束腐蚀台面，实现器件的隔离。最终获得的器件栅长为1μm，在- 1V栅偏压处的跨导为23mS/ mm。

随后，S.C.Binari 等人[4] 报道了具有较好微波性能的GaN MESFETs。与以往不同之处在于，他们采用有机物金属汽相外延威廉希尔官方网站 在蓝宝石衬底上生长一个无意识掺杂的GaN 外延层，剖面结构如图2 所示。他们首先在衬底温度为450℃时生长40 nm厚的AlN 缓冲层，随后在1050℃的温度下在缓冲层上生长了一个3m厚的无掺杂高电阻GaN 层。图3 是S.C.Binari 等人所制造的0.7μm栅长器件的电流增益|h21| 和单边增益U 随频率的变化曲线。从图中可看出，其截止频率f T 和最大振荡频率f max 为8GHz和17GHz。1997 年，S.C.Binari 等人[5]又研制了新型的GaN MESFETs，其源漏间距为5 μm，栅宽为150μm，栅长为0.7~ 2.0 μm。当栅长为1.5 μm时，MESFET 的最大跨导gm 为20mS/mm，最大漏电流IDSI 为120mA/ mm。当漏电流为1mA/ mm时漏偏压为75V，S.C.Binari 预测其微波输出功率将大于1W/ mm。另外，S.C.Binari 等人还预测随着设计和工艺威廉希尔官方网站 的提高，GaN MESFETs 的f T 将达到20~ 40 GHz。