GaN基微波半导体器件研究进展

图2、GaN MESFETs 剖面结构图

图3、0.7m 擅长器件的电流增益|h₂₁| 和单边增益U

从目前来看，相对于其他GaN 基器件，GaN MESFETs 生长和制造工艺相对较为简单。但对于MESFET 而言，获得较高的跨导需要一个高掺杂的沟道，而肖特基结的形成通常要求沟道轻掺杂。折中的结果最终导致沟道较厚、沟道杂质浓度较低，因此与GaAs MESFETs 所获得的跨导值（一般为200mS/ mm）相比，GaNMESFETs 的跨导值（最大为23mS/ mm）相对较低。此外，体GaN 沟道中的低电子迁移率往往导致高的级联电阻，使得GaN MESFETs 的射频性能受到限制[6]，不能完全发挥它的优势。

2.2、HFETs

自1992 年Khan 等人首次对Al_x Ga_{1- x}N/ GaN 异质结界面的电子迁移率进行了实验研究，指出Al_xGa_{1- x}N/GaN 异质结处的电子迁移率可以达到极高的值之后，众多的研究[7，8] 先后都表明Al_x Ga_{1- x}N/GaN 结构界面处可以产生二维电子气（2DEG），具有很高的电子迁移率，电子密度也相应比较高。此外，Al_xGa_{1- x}N/ GaN 界面上的肖特基势垒也比GaN 形成的肖特基势垒要高，这都为有效地产生微波功率提供了重要的材料基础。

目前，GaN HFETs，MODFETs 以及MISFETs 等新型微波功率器件都是以Alx Ga1- x N/ GaN 异质材料为基础，利用异质界面上形成的2DEG[8] 的优良传输特性来满足微波大功率要求的。图4 即是用于HFET 的AlGaN/ GaN 异质结构，包括一个厚的GaN 层，一个轻掺杂的GaN 层以及淀积在轻掺杂GaN 层上的AlGaN 层。相对于直接利用GaN 制造的器件来说，在图4 结构基础上制造的器件具有更大的潜力，这主要是Al_x Ga_{1- x}N/ GaN 异质结界面上可形成二维电子气，使得迁移率得到进一步增强。同时还可以采用在介质层上插入一个未掺杂的AlGaN 空间层和调制掺杂的方法来提高2DEG 结构中的传输特性，使得GaN 基HFET，MODFET的器件性能明显优于GaAs 基结构。

图4、AlGaN/ GaN 结构图

2.2.1、AlGaN/ GaN HFETs

AlGaN/ GaN HFETs 异质结场效应晶体管，是直接以AlGaN/ GaN 异质结材料为基础而制造的GaN 基器件。众多的研究[6~ 11] 表明了其在微波大功率应用方面具有巨大优势：1994 年，Khan 等人[9] 在大约1,01X10⁵ Pa的压力下以三乙基铝、三乙基镓和氨气（NH₃）作为氮源，在低压MOCVD 反应器中生长出了AlGaN/ GaN 异质结，并采用Ti/ Au 和Ti/W 作为源-漏和栅接触，制造出了AlGaN/GaN HFET，其结构图参见图5。当栅长为0.25 μm时，其截止频率f T 和最大振荡频率f _max 分别为11GHz和35GHz，与GaN MESFET 相比，性能有了很大的提高。1998 年，Thibeault 等人制造出了截止频率f _T 为4GHz，输出功率为1.4W的GaN HFET；Siram等人则制造出了f _T 为10 GHz，输出功率为0.85W的GaN HFET；Sullivom 等人[10] 制造出的HFET 的f _T 为10 GHz，输出功率为3.3W。需要说明的是，这些GaN HFET 都是在蓝宝石衬底上制造的。一方面，由于蓝宝石的热导性比较差，容易导致高的结温度并降低大功率晶体管的效率；另一方面，蓝宝石与GaN 的晶格失配比较大，导致在加速生长冷却后存在显著的应力。这两种原因都使得难以在蓝宝石衬底上生长出质量较好的GaN 外延层。因此为了提高微波功率，必须寻找更为合适的材料作为衬底以突破这些限制。SiC 材料相对于蓝宝石而言具有高的热导率，并同GaN 具有较小的晶格失配，因此可以考虑用SiC 材料代替蓝宝石作为衬底。1998 年，Shepperd 等人成功地在SiC 衬底上制成了AlGaN/ GaN HFETs，其截止频率f _T 为10GHz，功率密度为6.8W/mm，比蓝宝石HFETs 性能更好。1999 年，Q.Chen 等人[6] 在n 型和p 型SiC 衬底上制成了AlGaN/ GaNHFETs，器件性能非常理想。对于n 型SiC 衬底的器件，他们使用4.5 μm的栅宽，采用He 离子注入的方式进行隔离；对于p 型SiC 衬底的材料，他们使用100μm的栅宽，采用RIE 刻蚀和离子注入两种方法进行隔离。器件中欧姆接触采用Ti/Al 金属结构，栅肖特基接触采用Ni/ Au 双层结构。最终获得的功率密度为6.4W/ mm，在8 V偏压和0.4A/ mm电流密度下的截止频率f _T 和最大振荡频率f _max 分别为53 GHz和58 GHz。

图5 、AlGaN/ GaN HFET 结构图

除了使用SiC 和蓝宝石之外，现在人们也尝试着在GaN HFET 的制造中采用GaN 作为衬底[11] ，初步获得了较好的微波性能。

2.2.2、MODFETs

调制掺杂场效应管是在HEFT 结构的基础上，通过使用一个掺杂的AlGaN 层一个未掺杂的GaN层来调制掺杂以提高二维电子气传输特性的器件结构。近年来，已经成为最受人们关注的新型GaN微波器件之一，而这方面的研究也取得了较大的进展[12，13]。