第三代半導體GaN 材料特性對比

◎劉悅 董政鑫 郭建達 陳沖

隨著對大功率、散熱、抗干擾器件的要求越來越高，以GaN為代表的第三代半導體材料登上了舞臺，它們共同的特點即是禁帶寬度大，抗輻照能力強，熱穩定性好、化學穩定性好，加上良好的散熱性，使得第三代半導體在大功率及特殊環境下的應用前景十分廣闊。

一、GaN 材料概論

自然界中，我們將材料按其導電性能分為三類，分別是導體、半導體和絕緣體，與導體和絕緣體相比，半導體具有特殊的電學性質，其電阻率受材料自身純度，外界溫度，輻射等強烈影響，固體物理中的能帶理認為導體中的電子未能填充滿其所在整個允帶，允帶中的電子可以在外加電場的作用下，產生定向移動，進而改變自身在K 空間中的能量狀態，半導體和絕緣體其允帶中充滿了電子，電子雖然在外加電場中發生移動，但從整體來看其在K 空間中能量狀態沒有發生變化，所以對外不顯電性，同時，由于半導體的禁帶寬度較小，在外加光照或電流能能量注入的情況下，部分電子可以獲得能量跨越禁帶寬度，進入上層允帶，這樣上下兩個允帶都有“空余位置”供電子用來移動，其性質趨近于導體性質，K 空間中的能量狀態可以發生改變，半導體對外顯示導電性質。絕緣體由于禁帶寬度過大，所以很難改變其導電的性質，綜上，我們可知半導體的這種可調制的導電性，具有重要的研究意義。

目前，半導體材料主要分為三代，第一代半導體材料主要以Si、Ge 半導體材料為主，Ge 半導體材料由于的高溫和抗輻射性能較差，上世紀60 年代后期Si 逐漸成為第一代半導體的代表，第二代半導體材料主要是指化合物半導體，如GaAs、InSb 為代表的二元化合物半導體，其中GaAs 為直接帶系半導體，其導帶底和價帶頂都位于K 空間的原點位置，且禁帶寬度僅為1.43 電子伏，這些性質非常利于GaAs 的光學應用，以GaAs 為代表的第二代半導體主要用于制作高性能的毫米波、微波或光電子器件。第三代半導體主要指的是以GaN，SiC，InN 化合物為代表的寬禁帶材料，相比于第二代半導體，其具有高電子遷移率，高電子濃度，耐高溫，抗輻射等優點，更適宜于制作高溫、高頻以及大功率器件，目前，實驗測得GaN 材料的結構主要有以下三種，分別是纖鋅礦結構、閃鋅礦結構以及鹽礦結構，在常溫常壓下，GaN主要以閃鋅礦和纖鋅礦的結構存在。

二、GaN 器件發展情況介紹

由于第三代GaN 材料本身具有以上的優勢特性，隨著1993年第一只GaN HEMT 器件問世，GaN HEMT 也成為了GaN 材料除光電器件外的另一個重要的發展方向，其在射頻電子器件和功率電子器件方面的產值也在不斷增加。由于AlGaN/GaN 異質結材料具有高的擊穿場強，高的二維電子氣密度，較高的電子遷移率，同時生長GaN 的SiC 襯底具有十分優異的導熱性能，制作出的器件具有很好的可靠性，AlGaN/GaN 異質結材料使固態微波功率器件的發展邁出了新的一步，由于擊穿場強很大，使它能承載更高的偏壓，高的2DEG 密度和電子飽和速度能提供更大的電流，因而能獲得更大的功率。目前，Si 和基于GaAs 的HEMTs、HBTs 占領這該領域大部分的市場，它們工藝更加成熟，因此更為人們所熟知。另外一些化合物半導體，如InP，在一些特殊的高頻段。不過，在高頻大功率應用中，GaAs 有2 個主要的缺點，即臨界電場小、熱導率低。GaAs 襯底比Si 價格昂貴許多，并且生長更難控制，熱導率表現不好，相比之下，GaN 在Si 襯底上生長已經實現，而且GaN 的臨界電場比GaAs 幾乎要大一倍，將能在更大電壓下工作。SiC MESFETs 的優勢在于其襯底優異的導熱能力，但是它的電子遷移率很低。而且，SiC 襯底非常昂貴，尺寸還做不大，并且包含微觀缺陷，影響了器件的產量。SiGe HBTs 自從IBM提升了它的工藝并開始提供8 英寸的生產線之后就備受重視，而SiGe HBTs 也確實在很多微波應用和混合信號產生方面有很好的性能，并且花費不多就解決了一些以前在Si 平臺上無法解決的問題。可是SiGe HBTs 器件結構依然是小功率的結構，它依靠減少少數載流子的基區輸運時間來達到高頻，這意味著減薄基區厚度，并且利用Ge 的濃度分布產生一個加速電場，幫助電子穿越基區。然而在大功率中，集電區必須變得更厚，這又增加了集電區渡越時間，使得Si、Ge HBT 在高頻大功率上受到限制。Si LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）以其價格優勢，占據了絕大部分功率放大器的市場，不過由于它的工作頻率、擊穿電壓和功率密度的局限性，其發展受到限制，實際上，我們希望所制造出的器件具有以下的優點：具有高的輸出阻抗，即要求緩沖層漏電要小；要有高的擊穿電壓；跨導要高，而且應與柵壓保持較好的線性關系，即柵控制能力要強；歐姆接觸電阻要小，不應大于溝道電阻；夾斷特性要好，關態電流越小越好，至少要比開態電流小3 個數量級；截止頻率要高，不僅fT 和fmax 要高，而且要在較大的電壓、電流范圍內不會退化；器件還應具有良好的散熱能力，因此，AlGaN/GaN HEMT 有著獨特的優勢。

三、結語

隨著以GaN 材料為代表的第三代半導體的深入研究，其應用范圍越來越廣泛，我國第三代半導體材料的研究起步較晚，相對國外先進國家技術水平仍處于較低水平，應當著力發展。