【半导体材料】Ⅲ族氮化物材料在电子器件的重要应用

文摘 2024-12-22 23:59 江苏

近年来，Ⅲ族氮化物电子器件以其卓越的性能和广泛的应用前景，成为了半导体电子器件领域的一股不可忽视的力量。这些器件在功率密度、效率、频率和带宽等方面不断刷新纪录，引领着半导体技术的发展潮流。从2005年Ⅲ族氮化物微波器件和单片微波集成电路进入市场，到2010年前后氮化物功率开关器件的逐渐兴起，Ⅲ族氮化物电子器件已经在卫星基站、军事雷达、消费电子、新能源汽车、国家电网等诸多领域发挥着不可或缺的作用。本文将深入探讨最具代表性的Ⅲ族氮化物电子器件——高电子迁移率晶体管（HEMT）的工作原理、发展历程以及应用前景。

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一、Ⅲ族氮化物材料有哪些？

Ⅲ族氮化物材料，如氮化镓（GaN）和氮化铝镓（AIGaN），具有独特的强极化效应。这种极化效应使得AIGaN/GaN异质结在不进行故意掺杂的情况下，能带发生弯曲，形成电子势阱。这种势阱能够束缚大量电子，形成电荷面密度高达10¹² cm⁻²、迁移率约2000 cm²/(V·s)的二维电子气（2DEG）。正是这种高密度、高迁移率的2DEG，成为了HEMT器件的核心导电沟道。

HEMT器件的结构中，栅极金属与沟道材料表面形成肖特基接触，而源极和漏极则与2DEG形成欧姆接触。通过调控栅极电压，可以控制沟道中2DEG的密度，从而控制源漏之间的通断，实现晶体管的放大功能和开关功能。AIGaN/GaN异质结HEMT是最早被研发也是最常用的Ⅲ族氮化物HEMT器件结构。

二、HEMT器件的制备与性能优化

早期的HEMT器件通常采用分子束外延（MBE）方法在蓝宝石衬底或碳化硅（SiC）衬底上外延晶体薄膜制备而成。随着金属有机气相外延（MOVPE）技术的不断成熟，Ⅲ族氮化物薄膜外延主要采用了MOVPE方法。这种方法具有更高的生长速率和更好的均匀性，有利于大规模生产。

在AIGaN/GaN异质结结构中，GaN沟道层要求具有较高的晶体质量和高电阻率。然而，由于Ⅲ族氮化物器件主要通过异质外延制备，生长过程中不可避免地会产生失配位错等缺陷，影响异质结界面质量和势垒层的晶体质量，还可能形成漏电通道。因此，需要减少浅施主杂质或引入补偿型受主杂质来形成高阻特性的GaN沟道层。

AIGaN势垒层的厚度和AI组分对2DEG的密度和迁移率有着重要影响。然而，过高的厚度和AI组分会导致AIGaN中受到更大的张应力，容易产生应变弛豫甚至开裂。因此，HEMT异质结中AIGaN势垒层的AI组分通常控制在0.150.3之间，厚度为1030nm。

三、Ⅲ族氮化物HEMT器件的创新与发展

随着研究的不断深入，构成HEMT的Ⅲ族氮化物材料更加丰富和多样，器件性能也在不断提升。传统AIGaN势垒层的晶格常数小于GaN沟道层的晶格常数，限制了其厚度和AI组分。为了克服这一限制，研究人员将AIGaN势垒层替换为与GaN晶格匹配的InAlN材料。这种材料不仅能防止薄膜内应力的积累，还能利用InAlN的强极化诱导出密度高于传统器件2~3倍的2DEG，从而显著提高HEMT的输出功率。

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在HEMT器件的MOVPE外延制备中，通过在器件表面原位生长SiN绝缘材料作为钝化层，可以构成MIS-HEMT结构。这种结构能够降低栅极泄漏电流，提高器件的输出电流和工作稳定性。此外，利用MBE方法在器件表面再生长InN接触层，可以制备得到阻值很低的源漏欧姆接触。这种接触能够有效降低HEMT的寄生参数，提高HEMT的高频工作性能。

四、Ⅲ族氮化物HEMT器件的应用与前景

Ⅲ族氮化物HEMT器件以其卓越的性能，在微波、毫米波射频应用领域和1001000瓦功率开关器件领域展现出了巨大的应用潜力。在射频应用领域，多家国际和国内研究机构已经实现了100GHz内的高功率氮化物射频芯片技术。氮化物HEMT单片微波集成芯片可在94GHz下提供高达8W/mm的高输出功率密度，是其他材料器件的2030倍。

在氮化物射频市场方面，美国Cree公司、日本住友电工及富士通公司掌握着大部分市场份额。然而，我国苏州能讯高能半导体有限公司、成都海威华芯科技有限公司等企业也相继加入竞争，推出了多款高性能的射频器件和芯片。例如，苏州能讯高能半导体有限公司已经推出了频率达6GHz、工作电压为48/28V、输出功率在10~390W的射频器件，并可提供适应5G的高效率和高增益的射频芯片。成都海威华芯科技有限公司则开发了应用于5G宏基站的GaN功放芯片，功率140W以下，峰值功率密度达到8W/mm，功率附加效率达到70%以上。

在氮化物功率开关器件方面，美国的MicroGaN、Transphorm、EPC，德国的Infineon，日本的住友电工和松下，加拿大的GaN Systems等国际大型半导体公司都推出了GaN HEMT功率器件，最高电压达到1200V。这些器件在电力电子系统中具有广泛的应用前景，能够显著提高系统的效率和可靠性。

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