宽禁带半导体技术

宽禁带半导体技术 李耐和 概述 根据半导体材料禁带宽度的不同，可分为宽禁带半导体材料与窄禁带半导体材料。若禁带宽度Eg＜2ev（电子伏特），则称为窄禁带半导体，如锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）以及磷化铟（InP）；若禁带宽度Eg＞2.0-6.0ev，则称为宽禁带半导体，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、4H碳化硅（4H－SiC）、6H碳化硅（6H－SiC）、氮化铝（AIN）以及氮化镓铝（ALGaN）等。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件；而利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光器件和光探测器件。因此，美国、日本、俄罗斯等国都极其重视宽禁带半导体技术的研究与开发。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于SiC和GaN技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入。 目前，多家半导体厂商演示了具有高功率、高功率附加效率（PAE）、高增益以及较宽工作带宽的宽禁带半导体。这些器件工作频率范围很宽，从不足1GHz到40GHz，而且性能优异。虽然自20世纪90年代以来的10多年时间里，SiC器件的演示结果非常喜人，但是高性能宽禁带器件的产量一直很低。一个主要原因就是无法得到理想的SiC基底――不但要具有足够高电阻系数，可以提供半绝缘特性，而且严重缺陷（如微孔）数量要足够低。由于没有高质量的基底，就无法通过宽禁带材料的同质/异质外延生长获得制作微波与毫米波器件所需的高度一致性、具有足够高电子迁移率的大尺寸晶片。 值得一提的是，在过去的3年里，SiC基底研制进展迅速，不仅圆片直径有所加大，而且缺陷数量与电阻率都达到了大批量生产性能优异的宽禁带器件与MMIC（单片微波集成电路）的技术要求。此外，宽禁带外延结构演示结果也令人满意。例如，GaNHEMT(高电子迁移率晶体管)在2.1GHz时饱和功率输出174W，PAE高达54%，其150W输出功率(2.1GHz)的线性增益为12.9dB。 技术现状 在过去的几年里，由于美国政府以及商业部门的大力支持，宽禁带半导体技术取得迅速进展。尤其是2002年美国国防先进研究计划局（DARPA）启动与实施的宽禁带半导体技术计划（WBGSTI），已成为加速改进SiC、GaN以及AIN等宽禁带半导体材料特性的重要催化剂。 在该计划第一阶段（2002－2004年）期间，市售SiC基底直径已由2英寸增加到3英寸；同时，部分供应商正在研制4英寸SiC基底，预计2006年商品化。目前，至少一家供应商（如Cree公司）已经建立SiC器件与MMIC圆片代工厂，并出售高功率SiC器件。1则给出利用MBE（分子束外延）以及MOCVD（金属有机化合物气相沉积）技术生长的GaN外延层性能指标。同样，在获得可再现高电子迁移率活性层以及在材料特性一致性方面也取得了令人满意的结果。 表1 WEGSTI第一阶段GaN外延生长结果 技术 性能指标 2002年 2004年 MBE 材料控制与一致性 表面电阻变化(%) ±5 ±2.16 圆片直径(mm) 50 75 电器特性 霍尔移动率(cm 2 /V·S) ＞1000 1443 一致性(%) 较差 ±2 圆片直径(mm) 50 75 MOVCD 材料控制与一致性 表面电阻变化(%) ＞±10 ±1.72 圆片直径(mm) 50 75 电器特性 霍尔移动率(cm 2 /V·S) 1500 1719 一致性(%) 较差 ±2.8 圆片直径(mm) 50 75 最近，Cree公司收购的ATMI公司在GaN基底上制作出高功率、高效率X波段器件。BAE系统公司已经对其进行演示，不但演示了器件在微波频段具有的优异性能，还演示了毫米波器件（工作频率35 GHz，输出功率3.5W，PAE 22%）的制作能力。 表2　WBGSTI第二、三阶段技术目标参数 器件名称 性能指标 第二阶段 第三阶段 2006年 2007年 2008年 2009年 X波段T/R模块 集成度 器件 器件 MMIC 模块 漏偏压(V) 28 40 48 48 单元尺寸(μm) 1250 1250 N/A N/A 工作频率(GHz) 8-12 8-12 8-12 8-12 输出功率(W) 7.94 7.94 15 60 PAE(%) 60 60 55 35 功率增益(dB) 12 12 16 18-20 RF yield(%) 50 50 50 N/A 输出功率一致性(dB) 1.5 1 1 N/A PAE一致性(%pts) 6 3 3 N/A 小信号增益一致性(dB) 1.5 1 1 N/A LNA生存性(W) N/A N/A N/A 50 长期性能(小时) 10 5 10 5 10 5 10 6 Q波段高功率放大器模块 漏偏压(V) 25 28 28 28 单元尺寸(μm) 500 500 N/A N/A 工作频率(GHz) ＞40 ＞40 ＞40 ＞40 输出功率(W) 1.26 1.58 4 20 PAE(%) 27 35 37 30 功率增益(dB) 7 8 7.5 13 RF yield(%) 20 50 50 N/A 输出功率一致性(dB) 1.5 1 1.5 N/A PAE一致性(%pts) 6 3 6 N/A 小信号增益一致性(dB) 1.5 1 1.5 N/A 长期性能(小时) 10 4 10 5 10 5 10 6 宽带高功率放大器模块 漏偏压(V) 40 40 48 48 单元尺寸(μm) 400 1250 1250 1250 工作频率(GHz) 8-12 8-12 2-20 2-20 输出功率(W) 2.63 7.94 15 100 PAE(%) 60 60 30 20 功率增益(dB) 10 12 9 30 RF效率(%) 50 50 50 N/A 输出功率一致性(dB) 1.5 1 1 N/A PAE一致性(%pts) 6 3 3 N/A 小信号增益一致性(dB) 1.5 1 1 N/A 长期性能(小时) 10 5 10 5 10 5 10 6 另一项成功地提高宽禁带半导体器件性能的技术是场电极（field－plates）技术。利用该技术制作的器件具有极高的击穿电压、高输出功率以及较高的PAE。一个例子是GaN HEMT，当偏压120V，工作频率4 GHZ时，其输出功率密度为32.2W/mm，PAE高达54.8%。 未来发展 WBGSTI第一阶段的成功为美国国防先进研究计划局继续该计划奠定了坚实的基础。WBGSTI第二阶段在2005－2007年进行，将实现GaN基高可靠、高性能微波与毫米波器件的大批量生产。第三阶段将在2008－2009年进行，将研制成功GaN基高可靠、高性能MMIC，并在若干种模块中演示其应用。由于民用系统也将大量使用宽禁带与MMIC，这将有助于其产量的稳定。 在WBGSTI第二阶段与第三阶段将建立全面的、生产与封装能力,并演示宽禁带器件与MMIC预期的高性能、高可靠性以及可承受的生产成本。 同时，宽禁带材料最优化的研制工作仍将继续。 关于宽禁带器件与MMIC的应用演示，将包括以下3种模块： ·X波段发射与接收（T/R）模块。该模块将包括1个宽禁带功率放大器和1个宽禁带低噪声放大器MMIC。预计该模块的其它特性，如尺寸以及整个接收器的噪声系数性能，将相当或优于现有T/R模块。 ·Q波段高功率放大器模块。该模块包含的宽禁带功率放大器MMIC性能见表2，其工作频率在40 GHz以上。 ·宽带高功率放大器模块。该模块包含宽禁带功率放大器MMIC，其工作瞬间带宽超过10倍（例如，从2GHz到20GHz）,包括X波段。 WBGSTI未来两个阶段的发展还将包括大量的可靠性测试与评估，目的是确保所生产的宽禁带器件与MMIC性能长期稳定与可靠。开发有效的宽禁带器件与MMIC制作工艺，也是该计划的重点之一。同时，还将推出经济可承受的封装方法，以保证MMIC在所需环境条件下达到其全部性能并高可靠地工作。另外，如何在这些封装或组装模块的大批量生产中使手工操作减至最少也是一个不容忽视的问题；为了搞好封装制作，进行模块的热-电-磁仿真也是一项不可或缺的工作。 应用展望 WBGSTI将研制出宽禁带材料、器件、MMIC以及T/R模块的制作设备，随着性能优异的宽禁带器件与MMIC的实现，包括雷达、智能武器、电子对抗系统以及通信系统在内的在众多军事系统与民用产品的性能将得到极为明显改善。展望未来，宽禁带半导体器件的主要应用领域包括： ·实现半导体照明。国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目前使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。 ·提高光存储密度。DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成反比，如果DVD使用GaN基短波长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用GaAs基半导体激光器的同类产品提高4－5倍，因此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的主流技术。 ·改善军事系统与装备性能。高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度将提高到300℃，不仅将大大提高雷达（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题。   本文摘自《电子产品世界》