发展氮化镓集成电路的考虑

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:394

袁明文

(中电科集团第十三研究所，河北石家庄050051)

１引言

ｇａｎ是一种热学和化学性能都很稳定的化合物半导体材料，特别适于制造高温器件。其代表性器件ａｌｇａｎ／ｇａｎｈｅｍｔ具有优良的特性，包括宽禁带（３４ｅｖ）、高击穿（＞５０ｖ）、高饱和速度（＞１×１０７ｃｍ／ｓ）和高表面浓度（ｎｓ＞１×１０１３ｃｍ－２）等，使其成为新一代优良的微波功率器件。由于成功地实现了传统的低压、原子层的ｃｖｄ淀积和ａｌｇａｎ／ｉｎｇａｎ的掺杂等工艺技术，从而获得了高质量ｇａｎａｌｇａｎ异质结和ａｌｇａｎ二维电子气，为制造更加独特的微电子器件提供了保障。据报道［１］，创造ｃｗ功率记录的ｒｆ器件水平在不断被刷新。ｎｅｃ公司首次开发出ｇａｎ／ａｌｇａｎ功率晶体管芯片，其输出功率达１００ｗ，刷新了ｃｒｅｅ公司５１ｗ的记录；在华盛顿召开的国际电子器件会议上，ｃｒｅｅ公司宣称其ｇａｎｈｅｍｔ在２ｇｈｚ下，输出功率为１０８ｗ，其峰值漏效率η为５４％。该器件采用半绝缘ｓｉｃ衬底，其热导率比蓝宝石的高出１０倍，从而比较容易满足２４ｍｍ栅宽，功率５４ｗ／ｍｍ的散热要求。ｇａｎ／ａｌｇａｎ器件的其它参数如ｆｔ，ｆｍａｘ和ｎｆ也不断被刷新（表１），近来，器件最优值ｆｔ＝１２１ｇｈｚ，ｆｍａｘ＝１６２ｇｈｚ，ｎｆｍｉｎ＝０５３ｄｂ（８ｇｈｚ）／０７２ｄｂ（１２ｇｈｚ）／１０ｄｂ（１８ｇｈｚ）。值得指出的是，ｇａｎ器件已开始步入商品化实用化阶段。据称，ｒｆｎｉｔｒｏｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ公司已经具备了ｇａｎ外延、晶片加工设施的条件，有能力加工从５０ｍｍ（２英寸）衬底到１００ｍｍ（４英寸）ｇａｎ晶片。该公司首次推出商业化的ｇａｎ基晶体管，提供芯片形式的５０ｍｍ（２英寸）片（蓝宝石／ｓｉｃ衬底）：蓝宝石衬底器件ｎｇｎ１２５，１０ｇｈｚ功率密度２ｗ／ｍｍ；ｓｉｃ衬底器件ｎｇｎ２２５，１０ｇｈｚ功率密度６６ｗ／ｍｍ。其０３５ μｍ×１ｍｍ（蓝宝石）或者０３５ μｍ×１５ｍｍ（ｓｉｃ）器件的输出功率为１０ｗ［２］。在国际空间站中，ｃｒｅｅ的ｇａｎ基ｈｅｍｔ正在进行辐射实验［３］。

长期以来，由于受到电气和热导性上的限制，阻碍了ｇａａｓ器件的宽频带、大功率ｍｍｉｃ放大器的发展。然而，近年来ｇａｎ器件的迅速发展，使ａｌｇａｎ／ｇａｎｈｆｅｔ获得的ｒｆ输出功率密度可达到１０～１２ｗ／ｍｍ，其功率放大的应用前景非常诱人。当然还有一些问题需要解决，才能更好地发展ｇａｎ集成电路。

２材料

集成电路对材料的主要要求就是尺寸和质量。近年来，在ｇａｎ材料生长方面的进展很快，已经生长出５０ｍｍ（２英寸）单晶ｇａｎ衬底，在材料质量和衬底制备方面也积累了不少经验。用于ｇａｎ器件外延材料生长的方法，经常采用ｍｂｅ或者ｍｏｃｖｄ技术。其外延材料结构大多属于六方或者立方型的晶体结构，前者生长在蓝宝石或者６ｈ／４ｈｓｉｃ衬底上，当前，大多数器件采用此类衬底。最常用于ｇａｎ外延生长的衬底材料是蓝宝石或者ｓｉｃ，也有人采用ｓｉ作为衬底。同蓝宝石相比，ｓｉｃ具有更优良的热导性和较低的ｓｉｃ／ｇａｎ膜材料晶格失配率（约３５％）。但是，ｇａｎ很难在ｓｉｃ上面形成有核层。实验表明［４］，预先在ｓｉｃ表面上淀积薄的ａｌｎ缓冲层，可明显改善ｇａｎ膜的质量。适当地选择成核条件可在６ｈ，４ｈ和３ｃｓｉｃ衬底上外延生长ｇａｎ膜，其具体条件如表２和表３。

目前，ｇａｎ材料的尺寸和质量仍然是发展ｇａｎｈｅｍｔｍｍｉｃ的障碍，尤其是后者。必须将材料缺陷从１０９降低到１０５ｃｍ－２，同时解决好ｇａｎ外延结构缺陷和晶格／热力失配缺陷问题。

３集成电路

为了充分利用ｇａｎ电子器件的大功率、高击穿和高温工作等优点，人们比较关注ｇａｎ基ｈｅｍｔ的应用范围，包括大功率微波（微波功率放大器等）和射频控制的应用（开关、衰减和移相等），并获得了很好的研究结果。

３．１设计考虑