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1、2015年第60卷第10期：874~881《中国科学》杂志社专栏评述www.scichina.comcsb.scichina.comSCIENCECHINAPRESS第516次学术讨论会•氮化物半导体电子器件氮化物半导体电子器件新进展**郝跃,张金风,张进成,马晓华,郑雪峰西安电子科技大学微电子学院,宽带隙半导体技术国家重点学科实验室,西安710071*联系人,E-mail:yhao@xidian.edu.cn;jfzhang@xidian.edu.cn2015-01-19收稿,2015-02-05接受,2015-03-16网络版发表摘要氮化物宽禁带半导体是实现大功率、高
2、频率、高电压、高温和耐辐射电子器件的关键词一类理想材料.基于氮化镓(GaN)异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)是氮化物电子器氮化物半导体材料件的主流结构,该结构利用高电导率二维电子气实现强大的电流驱动,同时保持了氮化微波功率器件物材料的高耐压能力.近年来,GaNHEMT器件主要在微波功率和电力电子2个领域得到电力电子器件了快速发展.本文评述了GaN微波毫米波功率器件和高效电力电子器件的若干研究进展,并提出了氮化物电子器件仍存在的问题及解决方向.以GaN为代表的氮化物半导体具有宽禁带、高击的速度不断发展.如图1所示,1996年具有微波功率[1]穿场强、高电子饱和速度、高
3、热导率、性质稳定等特性的GaNHEMT器件被首次报道.尽管由于当时显著特点,并具有极强的自发极化和压电极化效应,用的蓝宝石衬底热导率较差,器件的结温很高,但该这些性质使其成为实现高性能电子器件的一类理想器件的输出功率密度1.1W/mm与成熟的GaAs材料.MESFET相当.随后的10年中,提高GaNHEMT器件在GaN和禁带更宽的AlGaN(或AlInN)所形成的特性的一个重要研究就是提升L~C波段(2~8GHz)的异质结中,极化电场显著调制了能带和电荷的分布.功率密度.这个过程中,氮化物材料生长方法和器件即使整个异质结构没有掺杂,也能够在AlGaN/GaN的工艺方法得到
4、了全面的提高,其中有3项最重要的1313−2界面形成密度高达1×10~2×10cm,且具有高技术,一是采用了SiC衬底,获得了高水平氮化物外迁移率特性的二维电子气(2DEG).2DEG沟道比体电延材料和改善器件散热;二是采用表面钝化介质抑子沟道更有利于获得强大的电流驱动能力和微波功制电流崩塌;三是采用场板(fieldplate)结构调整沟道率放大能力,因此GaN电子器件主要以GaN异质结场电场分布,提高器件击穿电压(图2).统计结果表明,效应管(HFET)为主,该器件结构又称为高电子迁移这3项关键技术使GaNHEMT的输出功率密度分别率晶体管(HEMT).近年来,氮化物H
5、EMT器件得到提升到6,10W/mm,乃至高于40W/mm.图1给出了快速发展,在微波毫米波功率器件和高效电力电了美国加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)和Cree公司的子器件方面表现了出色的性能.GaNHEMT特性随时间的进展,同时可以看出微波输出功率与器件的源漏偏置电压(UDS)具有强相关性.1微波毫米波功率器件进展其中2006年实现的41.4W/mm的微波输出功率密度[2]自从1993年第一个具有正常直流特性的GaN仍是半导体微波功率器件中的最高记录.该器件在HEMT电子器件问世以来,GaNHEMT就以令人瞩目栅电极和源电极各有1个场板,使器件的工作电压可引用格式:郝跃
6、,张金风,张进成,等.氮化物半导体电子器件新进展.科学通报,2015,60:874–881HaoY,ZhangJF,ZhangJC,etal.Progressinnitridesemiconductorelectronicdevices(inChinese).ChinSciBull,2015,60:874–881,doi:10.1360/N972015-00068评述XidianUniv.图1GaNHEMT特性随时间的进展.器件衬底不作特别说明则是SiC材料,FP指场板Figure1ProgressofGaNHEMTcharacteristicswithtime.Thes
7、ub-strateofthedevicesisgenerallysiliconcarbideifnotspecified,andFPmeansfieldplate[4]图3GaNHEMT各频段的连续波输出特性.(a)S~K波段;(b)毫米波段(30~100GHz)图2提升GaNHEMT功率密度的3项重要技术:SiC衬底、表面钝Figure3ContinuouswaveoutputcharacteristicsofGaNHEMTsat化(SiN)和场板[3][4]variousfrequencies.(a)S–Kbands;(b
