第三代半导体GaN 材料特性对比

2020-04-26刘悦董政鑫郭建达陈冲

经济技术协作信息 2020年10期

◎刘悦董政鑫郭建达陈冲

随着对大功率、散热、抗干扰器件的要求越来越高，以GaN为代表的第三代半导体材料登上了舞台，它们共同的特点即是禁带宽度大，抗辐照能力强，热稳定性好、化学稳定性好，加上良好的散热性，使得第三代半导体在大功率及特殊环境下的应用前景十分广阔。

一、GaN 材料概论

自然界中，我们将材料按其导电性能分为三类，分别是导体、半导体和绝缘体，与导体和绝缘体相比，半导体具有特殊的电学性质，其电阻率受材料自身纯度，外界温度，辐射等强烈影响，固体物理中的能带理认为导体中的电子未能填充满其所在整个允带，允带中的电子可以在外加电场的作用下，产生定向移动，进而改变自身在K 空间中的能量状态，半导体和绝缘体其允带中充满了电子，电子虽然在外加电场中发生移动，但从整体来看其在K 空间中能量状态没有发生变化，所以对外不显电性，同时，由于半导体的禁带宽度较小，在外加光照或电流能能量注入的情况下，部分电子可以获得能量跨越禁带宽度，进入上层允带，这样上下两个允带都有“空余位置”供电子用来移动，其性质趋近于导体性质，K 空间中的能量状态可以发生改变，半导体对外显示导电性质。绝缘体由于禁带宽度过大，所以很难改变其导电的性质，综上，我们可知半导体的这种可调制的导电性，具有重要的研究意义。

目前，半导体材料主要分为三代，第一代半导体材料主要以Si、Ge 半导体材料为主，Ge 半导体材料由于的高温和抗辐射性能较差，上世纪60 年代后期Si 逐渐成为第一代半导体的代表，第二代半导体材料主要是指化合物半导体，如GaAs、InSb 为代表的二元化合物半导体，其中GaAs 为直接带系半导体，其导带底和价带顶都位于K 空间的原点位置，且禁带宽度仅为1.43 电子伏，这些性质非常利于GaAs 的光学应用，以GaAs 为代表的第二代半导体主要用于制作高性能的毫米波、微波或光电子器件。第三代半导体主要指的是以GaN，SiC，InN 化合物为代表的宽禁带材料，相比于第二代半导体，其具有高电子迁移率，高电子浓度，耐高温，抗辐射等优点，更适宜于制作高温、高频以及大功率器件，目前，实验测得GaN 材料的结构主要有以下三种，分别是纤锌矿结构、闪锌矿结构以及盐矿结构，在常温常压下，GaN主要以闪锌矿和纤锌矿的结构存在。

二、GaN 器件发展情况介绍

由于第三代GaN 材料本身具有以上的优势特性，随着1993年第一只GaN HEMT 器件问世，GaN HEMT 也成为了GaN 材料除光电器件外的另一个重要的发展方向，其在射频电子器件和功率电子器件方面的产值也在不断增加。由于AlGaN/GaN 异质结材料具有高的击穿场强，高的二维电子气密度，较高的电子迁移率，同时生长GaN 的SiC 衬底具有十分优异的导热性能，制作出的器件具有很好的可靠性，AlGaN/GaN 异质结材料使固态微波功率器件的发展迈出了新的一步，由于击穿场强很大，使它能承载更高的偏压，高的2DEG 密度和电子饱和速度能提供更大的电流，因而能获得更大的功率。目前，Si 和基于GaAs 的HEMTs、HBTs 占领这该领域大部分的市场，它们工艺更加成熟，因此更为人们所熟知。另外一些化合物半导体，如InP，在一些特殊的高频段。不过，在高频大功率应用中，GaAs 有2 个主要的缺点，即临界电场小、热导率低。GaAs 衬底比Si 价格昂贵许多，并且生长更难控制，热导率表现不好，相比之下，GaN 在Si 衬底上生长已经实现，而且GaN 的临界电场比GaAs 几乎要大一倍，将能在更大电压下工作。SiC MESFETs 的优势在于其衬底优异的导热能力，但是它的电子迁移率很低。而且，SiC 衬底非常昂贵，尺寸还做不大，并且包含微观缺陷，影响了器件的产量。SiGe HBTs 自从IBM提升了它的工艺并开始提供8 英寸的生产线之后就备受重视，而SiGe HBTs 也确实在很多微波应用和混合信号产生方面有很好的性能，并且花费不多就解决了一些以前在Si 平台上无法解决的问题。可是SiGe HBTs 器件结构依然是小功率的结构，它依靠减少少数载流子的基区输运时间来达到高频，这意味着减薄基区厚度，并且利用Ge 的浓度分布产生一个加速电场，帮助电子穿越基区。然而在大功率中，集电区必须变得更厚，这又增加了集电区渡越时间，使得Si、Ge HBT 在高频大功率上受到限制。Si LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）以其价格优势，占据了绝大部分功率放大器的市场，不过由于它的工作频率、击穿电压和功率密度的局限性，其发展受到限制，实际上，我们希望所制造出的器件具有以下的优点：具有高的输出阻抗，即要求缓冲层漏电要小；要有高的击穿电压；跨导要高，而且应与栅压保持较好的线性关系，即栅控制能力要强；欧姆接触电阻要小，不应大于沟道电阻；夹断特性要好，关态电流越小越好，至少要比开态电流小3 个数量级；截止频率要高，不仅fT 和fmax 要高，而且要在较大的电压、电流范围内不会退化；器件还应具有良好的散热能力，因此，AlGaN/GaN HEMT 有着独特的优势。