浅谈化合物半导体材料
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本栏目责任编辑：贾薇薇计算机工程应用技术第6卷第5期(2010年2月)
浅谈化合物半导体材料郝斌，温凯（天津工业大学，天津300160）摘要：化合物半导体集成电路具有超高速、低功耗、多功能、抗辐射等特性而被和泛应用，GaAs、GaN、SiC为主要应用的化合物半导体材料。简单介绍化合物半导体材料和硅材料对比下的优势及由GaAs、GaN、SiC构成的部分器件的工作原理及特性。关键词：化合物半导体材料；GaAs；GaN；SiC中图分类号：TP331文献标识码：A文章编号：1009-3044(2010)05-1238-02OnTheCompoundSemiconductorMaterialsHAOBin,WENKai(TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300160,China)Abstract：Compoundsemiconductorintegratedcircuitswithultra-highspeed,lowpower,multi-functional,anti-radiationpropertiesiswidelyused,GaAs,GaN,SiCasthemainapplicationofcompoundsemiconductormaterials.Thisarticledescribestheadvantagesofcom-poundsemiconductormaterials,andfromGaAs,GaN,SiCformedpartofthedevice.
Keywords:semiconductormaterials;GaAs;GaN;SiC目前，半导体器件已被广泛应用到各个领域中。但是随着科技的发展，由于硅的电子移动速度使得硅电路传输速度慢并且难以改善。因此新型半导体材料由此产生，以GaAs、GaN、SiC为代表的的化合物半导体是目前应用最广泛、发展最快。
1化合物半导体材料优势
化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。以GaAs为例，通过比较可得：1化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度，因此，可以做到更高的工作频率和更快的工作速度。2肖特基势垒特性优越，容易实现良好的栅控特性的MES结构。3本征电阻率高，为半绝缘衬底。电路工艺中便于实现自隔离，工艺简化，适合于微波电路和毫米波集成电路。4禁带宽度大，可以在Si器件难以工作的高温领域工。现在化合物半导体材料已广泛应用：在军事方面可用于智能化武器、航天航空雷达等方面，另外还可用于手机、光纤通信、照明、大型工作站、直播通信卫星等商用民用领域。2化合物半导体器件
GaAs、GaN、SiC为主要应用的化合物半导体材料。以下介绍由这三种材料构
成的部分器件。2.1GaAs材料
高电子迁移率晶体管（HEMT）器件实在能形成2DEG的异质结上用类似MESFET的工艺制成的场效应晶体管。源漏之间主要由2DEG的导电沟道提供，由势垒层上的肖特基栅施加偏压来改变耗尽区的厚度，从而控制沟道2DEG的浓度及器件的工作状态（如图1）。对这类器件若VGS=0时沟道中已有电子存在，则器件是耗尽型的；若沟道被耗尽则器件是增强型的。I-V特性为强电场下工作的耗尽型HEMT和增强型HEMT都呈现出平方规律的饱和特性。AlGaAs/GaAsHEMT的制作基本工序：在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层→高纯GaAs层→n型AlGaAs层→n型
GaAs层→台面腐蚀隔离有源区→制作Au/Ge合金的源、漏欧姆接触电极→干法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层→淀积
Ti/Pt/Au栅电极。（如图2）
图1GaAsHEMT中2-DEG图2GaAsHEMT基本结构图3PHEMT的基本结构收稿日期：2009-12-19作者简介：郝斌（1987-），男，天津人，就读于天津工业大学。
表1典型化合物半导体GaAs材料与Si材料性能对比
ISSN1009-3044ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识
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Vol.6,No.5,February2010,pp.1238-1239
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（上接第1237页）参考文献：[1]Englert,N.,Fineparticlesandhumanhealth—areviewofepidemiologicalstudies.ToxicologyLetters2004.149:235–242.[2]Koop,G.,Tole,L.,Aninvestigationofthresholdsinairpollutionmortalityeffects.EnvironmentalModellingandSoftware,2006.21:1662–1673.[3]Jenkin,M.E.,Clemitshaw,K.C.,Ozoneandothersecondaryphotochemicalpollutants:chemicalprocessesgoverningtheirformationintheplanetaryboundarylayer.AtmosphericEnvironment,2000.34:2499–2527.[4]ByunDW，JKSChing，etal，DevelopmentandImplementationoftheERA’sModels-3InitialOperatingVersion:CommunityMulti-scaleAirQualityModel,AirPollutionModelinganditsapplication,1998,PlenumPublishingCoorp:357-368.[5]ByunDW,JYong，etal,DescriptionoftheModels-3CommunityMultiscaleAirQualityModel:ProceedingsoftheAmericanMeteoro-logicalSociety78thAnnualMeetingPhoenix,1998,264-268.[6]ByunAlreadyDW,ChingJKS.ScienceAlgorithmsoftheEPAMODELS-3CommunityMultiscaleAirQuality(CMAQ)ModelingSys-tem.EPA/600/R-99/030,USEnvironmentalProtectionAgency,1999.
随后发现由于n-AlGaAs层存在一种所谓DX中心的陷阱，它能俘获和放出电子，使得2-DEG浓度随温度而改变，导致阈值电压不稳定。为了解决这个问题，采用非掺杂的InGaAs代替非掺杂的GaAs作为2－DEG的沟道材料制成了赝高电子迁移率晶体管。InGaAs层厚度约为20nm，能吸收由于GaAs和InGaAs之间的晶格失配（约为1％）而产生的应力，在此应力作用下，InGaAs的晶格
将被压缩，使其晶格常数大致与GaAs与AlGaAs的相匹配，成为赝晶层。因为InGaAs薄层是一层赝晶层且在HEMT中起着i–GaAs层的作用，所以成为“赝”层，这种HEMT也就相应地成为赝HEMT。
2.2GaN材料
2.2.1GaN基HEMT目前GaN基HEMT器件的主要结构是基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件。由于极化效应，AlGaN/GaN异质结很容易出现2DEG，因此有常见工艺生长的绝大部分HEMT器件是属于耗尽型的。在尽量提高沟道2DEG浓度且保持其迁移率和速度，同时又
不引起势垒应变弛豫的原则下，应用于HEMT器件的AlGaN/GaN异质结的结构参数已经优化到一个范围（势垒层的Al含量为0.2~0.3，厚度为20~30nm）。除此之外GaN基HEMT的器件还有以下特性：1)缓冲层漏电小即缓冲层呈高阻态且缺陷密度小形成高的输
出阻抗；2)高的击穿电压，对提高器件的输出功率和功率开关的电压承受能力非常重要；3)跨导高且和栅压保持良好的线性关系，这与器件的频率特性和开关速度相关；4)好的夹断特性；5)较高的截止频率；6)良好的散热能力。GaN基HEMT的主要工艺为台面刻蚀、肖特基接触和欧姆接触。2.2.2GaN基HBT异质结双极性晶体管器件具有宽带隙发射区，大大提高了发射结的载流子注入效率；基区可以高掺杂（可高达1020cm-3)
，基区电
阻rb可以显著降低，从而增加fmax；同时基区不容易穿通，从而厚度可以做到很薄，即不限制器件尺寸缩小；发射结浓度可以很低（约
1017cm-3）,从而发射结耗尽层电容大大减小，器件的fT增大。GaN基HBT可研发为微波功率放大器件或高压开关器件，其目标特性
为高射极注入系数、长的少子寿命、短的基区渡越时间、高击穿电压。2.3SiC材料
SiC基结型场效应晶体管（JFET）和肖特基栅场效应晶体管（MESFET）
SiC基MESFET和JFET的沟道载流子的等效迁移率比较高，因此SiC基MESFET主要被开发为微波功率器件，而JFET则是高
压功率开关器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波频段，其性能优势为线性化程度比较理想，输出阻抗高，从而大大降低对匹配网络的要求，降低了制作和设计成本。SiC基JFET具有超低RSP，也能在较高和较低温度以及较高频率下工作。3结束语
化合物半导体集成电路和普通半导体集成电路相比具有明显的优势，适合于高频高速电路的要求。并且化合物半导体可以发光，可以实现光电集成。因此化合物半导体有更广泛的发展空间。参考文献：[1]何杰,夏建白.半导体科学与技术[M].北京:科学出版社,2003.[2]李效白.砷化镓微波场效应管及其集成电路[M].北京:科学出版社,2005.[3]谢永贵.超高速化合物半导体器件[M].北京:宇航出版社,2006.[4]史常忻.高速GaAs集成电路[M].上海:上海交通大学出版社,2004.
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