gan微电子器件的发展分析

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1、GaN微电子器件的发展前景分析摘要：本文介绍了GaN材料的优良特性以及工艺上存在的问题；着重介绍了GaN微电子器件的发展和应用;GaN器件的前景和市场。关键词：GaN；GaN材料；GaN器件TheResearchoftheGaNMicroelectronicDevicesAbstract:ThispaperintroducedthepropertiesofGaNmaterialsandtheproblemsexistingintheprocess.ThepaperdiscussedthedevelopmentandapplicationsoftheGaNmic

2、roelectronicdevices.ThepaperalsodescribedthefutureandmarketdemandoftheGaNmicroelectronicdevices.Keywords:GaN;GaNmaterial;GaNmicroelectronicdevices1引言以Si和GaAs为代表的传统半导体材料，其器件在抗辐射、高温、高压和高功率的要求己逐渐不能满足现在电子技术的发展。宽禁带半导体(SiC、GaN等)电子器件，可以应用在高温、高压、高频和恶劣的坏境中，如雷达、无线通信的基站及卫星通信。GaN禁带宽度大、击穿电压高、电子饱

3、和漂移速度高，具有优良的电学和光学特性以及良好的化学稳定性，使其在高频大功率、高温电子器件等方面倍受青睐，宽禁带半导体己成为微电子学新领域，是当代半导体科学技术最重要的前沿领域之一。2GaN材料2.1GaN材料性质GaN是一种很稳定的化合物并且显示了很强的硬度，它的宽禁带、高饱和速度以及高的击穿电压有利于制造成为微波功率器件。GaN是一个非常稳定的化合物并且展现出很强的硬度。正是这种在高温下的化学稳定性再结合其硬度特性,使氮化镇被制成了一种具有吸引力的防护涂层材料，有利于制造高温器件。2.2GaN材料结构与特性GaN材料具有两种晶体结构，分別为六方对称的纤锌矿

4、结构(见图1(G)和立方对称的闪锌矿结构(见图1(b))。通常条件下，GaN以六方对称性的纤锌矿结构存在，纤锌矿结构是由两套六方密堆积结构沿c轴方向平移5c/8套构而成，它的一个原胞屮有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。但在一定条件下也能以立方对称性的闪锌矿结构存在。闪锌矿结构则由两套面心立方密堆积结构沿对角线方向平移1/4对角线长度套构而成。这种现象在III族氮化物材料中是普遍存在的，称为多型体现象(Polytypism)。Oo°cqcCODOT图1(a)GaN纤锌矿晶体结构图1（b）GaN闪锌矿晶体结构纤锌矿GaN材料的物理特性见表其质地坚硬，熔点较

5、高，且化学性质非常稳定⑶,但是离子刻蚀（R1E）可以有效地对GaN进行刻蚀，从而促进了GaN器件的发展。GaN材料具有较高的电子漂移饱和速度和电子迁移率，室温下其电子迁移率可以达到900cm2/V・s,从而使其非常适于制做髙速器件。另外，GaN材料电击穿强度高、漏电流小，使其适于制作高压器件。表1纤锌矿GaN的物理特性带隙能量带隙温度系数（T-300K）带隙压力系数（T=300K）热膨胀系数（T=300K）热导率折射率Eg(300K)=3.39eVEg(1.6K)=3.50eVdEg/dT=-6.0X10“cV/KdEg/dP=-4.2XIO"5cV/MpaA

6、a/a=5.59X10_6KAc/c=3.17X10'6Kk=1.3W/cm・Kn(leV)=2.33n(3.38eV)=2.672.3GaN材料的缺点与问题在理论上rti于其能带结构的关系，其中载流子的有效质量佼大，输运性质佼差，则低电场迁移率低，高频性能差。现在用异质外延（以蓝宝石和SiC作为衬底）技术生长出的GaN单晶，还不太令人满意,例如位错密度达到了10^10lo/cm2；未掺杂GaN的室温背景载流子（电子）浓度高达10l7/cm3,并呈现出n型导电；虽然容易实现n型掺杂，但p型掺杂水平太低（主要是掺軀）,所得空穴浓度只有1017"107cm3,迁移

7、率＜10cm2/V.s,掺杂效率只有0.1%〜1%。总Z,从整体来看，GaN的优点弥补了其缺点，而制作微波功率器件的效果还往往要远优于现有的一切半导体材料。3GaN微电子器件的发展3.1GaN常见微电子器件的发展3・1・1GaN基MOSFET采用GaN制作的MOSFET在高温、高压以及大功率器件方面有很好的发展前景。1998年，F.Ren等人制造出第一只GaNMOSFET,使用TGa203(Cd203)做栅介质材料。2000年至2005年,J.W.Johnson、Kuan-weiLeesY.lrokawa>KevinMatocha分别使用SiO/Gd/^、液相

8、淀积Si02、瞻0等材料制作GaNMO