GaN基微波半导体器件研究进展

2.3、金属绝缘物场效应晶体管

在某些应用中，人们需要获得非常低的栅泄漏电流，而采用绝缘体栅代替肖特基栅，并在HFET 结构中采用一个掺杂的GaN 层一个未掺杂的AlGaN 层就可以满足这一要求，即形成金属绝缘物场效应晶体管结构。Binari 等人[14] 成功地在GaN 上直接制造出了MISFETs，获得的跨导为16mS/ mm。之后，Q.Chen 等人[6] 则在AlGaN/ GaN 异质结上成功地制造出MISFETs。其具体的结构包括：生长在蓝宝石衬底上的半绝缘GaN 层，厚度为1μm；50 nm的n 型GaN 层和3 nm的Al_0.2Ga_0.8N 未掺杂空间层以及30 nm的掺杂Al_0.2Ga_0.8N 层。工艺过程中使用Ti/ Al 金属结构作为欧姆接触，SiO₂ 作为栅绝缘物。当电压在- 6V 和+ 6V 之间时，最大跨导为86mS/ mm，充分显示出了其高功率应用的优势，但截止频率f _T 和最大振荡频率f _max 仅为2.9 GHz和7.1GHz，这可能是由于栅和漏源间的重叠形成一个大的负反馈电容，因此减小了射频增益，限制了f _T 和f _max。

3、GaN 基微波器件关键工艺的研究进展

制造高性能GaN 微波器件不仅与材料质量有很大关系，而且也与器件制备工艺紧密相关。因此，了解当前GaN 微波器件的工艺研究进展是非常必要的。

3.1、欧姆接触

低的欧姆接触电阻是制作高性能微波器件的关键。相对较窄带隙的Si，GaAs 和InP 等材料而言，在GaN上制备低的欧姆接触电阻较为困难。这是因为GaN 有较宽的带隙，在金属和半导体界面接触处的接触势垒较高，从而导致大的欧姆接触电阻。为了降低欧姆接触电阻，目前采用淀积多层金属的方法在界面处形成低势垒的多元合金或高的掺杂浓度。

合金欧姆接触 这种方法主要是通过真空和电子束蒸发Al，Au 或Ti/Ag 而在GaN 上形成低的欧姆接触的。Wu 等人采用两步淀积Ti 薄膜及热退火工艺技术对较低掺杂浓度的GaN 获得的比接触电阻为5.0X10^{- 6}~ 5.5X10^{- 6}Ω·cm²，对较高掺杂浓度的GaN 获得的比接触电阻为3.0X10^{- 6}~ 4.1X10^{- 6}Ω·cm²。Fan 等人首先以Cl₂ 和BCl₃ 为刻蚀剂对在蓝宝石衬底上生长的GaN 进行反应离子刻蚀，形成适合于电阻测量的台阶结构。其后，在蒸发室中淀积Ti/ Al/Ni/ Au 形成多层欧姆接触薄膜。对掺杂浓度为2X10¹⁷Ω·cm^{- 3}和4X10¹⁷Ω·cm^{- 3}的n 型GaN，获得的比接触电阻分别为1.19X10^{- 7}Ω·cm²和8.9X10^{- 8}Ω·cm²，较为理想[17，18]。

非合金欧姆接触 这种方法主要采用GaN/ InN 短周期超晶格和InN 作为顶层的方法来获得低欧姆接触。Lin 等人在InN 顶层和GaN 间生长了一层短周期超晶格，并在InN 顶层淀积20nm的Ti 和100 nm 的Al之后，没有进行退火获得的比接触电阻为6.0X10^{- 5} cm²。

3.2、退火技术

合理的退火条件能够降低金属/ GaN 欧姆接触电阻，改善材料特性，抑制位错向表面延伸，提高薄膜质量，有效地转移离子注入所导致的各种缺陷。

M.W.Cole 等人对后生长快速高温热退火情况下退火温度对GaN 薄膜晶体质量的影响进行了研究。退火在氮气中进行，时间1min，温度600~ 800，结果表明，一定退火温度下，GaN 薄膜表面缺陷数量比衬底和缓冲层界面处要低30%~ 25%。退火温度越高，延伸到表面的位错也越少。由此可见较高温度的退火在一定程度上能够抑制位错向表面的延伸[1，19]。

3.3、刻蚀技术

刻蚀是GaN 微波器件制造过程中一个很重要的工艺。但由于GaN 有极高的化学稳定性，室温下酸和碱对它们的腐蚀速率极低，仅为每分钟几纳米，因此目前的研究主要集中在干法刻蚀上。干法刻蚀主要包括反应离子刻蚀，电子回旋共振等离子体，化学辅助离子束刻蚀和磁控离子刻蚀等方法。

Vassile 等人采用等离子体刻蚀技术，刻蚀气体为CCl₂F₂ 对GaN 进行刻蚀，获得的刻蚀速率大约为4.1 nm/ s；他们还采用反应离子刻蚀技术，刻蚀气体为CCl₄ 和N₂ 的混合气体对GaN 进行刻蚀，获得的刻蚀速率大约为0.33nm/ s[15]。Mclane 等人[20] 采用磁控离子刻蚀技术，刻蚀气体为BCl₃ 对GaN 进行刻蚀。当反应室压力为0.5Pa，阴极功率密度为0.4W/ cm²时，获得了目前最高的刻蚀速率，大约为5.8 nm/ s。

另外，由于光诱导刻蚀不仅能克服干法刻蚀中高能粒子轰击对半导体表面造成的损伤，而且仅发生在激光束照射区域，可实现选择性刻蚀，因此光诱导刻蚀已成为一种极具潜力的刻蚀技术。

4、结论

随着材料和器件工艺技术的不断提高和发展，GaN 基微波器件的性能已有了很大的提高。但由于器件特性依靠2DEG 的性能（极化和压电效应对其影响较大），加之衬底晶格的不匹配以及材料生长和器件制备工艺不够成熟，器件性能的进一步提高以及稳定和重复性将成为研究焦点。由于GaN 具有重要器件特性和巨大需求潜力，其微波器件的发展已成为国内外化合物半导体研究的热点。相信随着材料质量及器件制备工艺日趋成熟，会有更多性能更理想的GaN 基微波器件被研制出来，并应用于更广阔的领域。

参考文献:
[ 1] 段猛, 郝跃GaN 基蓝色LED 的研究进展[ J] 西安电子科技大学学报, 2003, 30( 1) : 60- 65.
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[ 3] 段 猛 碳化硅衬底上氮化镓薄膜材料及其发光器件特性研究[ D] 西安: 西安电子科技大学, 2003.
[ 4] Binari S C, Rowland L B, Kruppa W, et al. Microwave Performance of GaN MESFETs[ J] . Electronics Letters, 1994, 30( 15) : 1248-1 249.
[ 5] Binari S C, Kruppa W, Dietrich H B, et al. Fabrication and Characterization of GaN FETs[ J] . Solid-State Electronics, 1997, 40( 10) : 1549- 1554.
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[ 7] Shur M, Gelment B, Khan M A. Electron Mobility in Two- dimensional Electron Gas in AlGaN/ GaN Heterostructures and in Bulk GaN [ J] . Journal of Electronic Materials, 1996, 25( 5) : 777- 785.