第三代半导体GaN材料现状探析
◎王丹阳 刘悦 张峰郡 李德才 陈冲
进入21世纪，随着人类社会的不断进步和近年来集成电路产业不断的更新换代，飞速发展的现代科技使得我们生活生产中对半导体产品产生了越来越高的要求，相比于第一代、第二代半导体，以GaN为代表的第三代半导体正凭借其高电子迁移率，高禁带宽度、高电子饱和速度、耐高温，抗辐射等良好的材料性能，在微波高功率器件的研究领域拥有愈发广泛的应用前景。其中，以AlGaN/GaN HEMT为代表的GaN材料器件更是在无线通信和军用雷达等领域展现出巨大的发展潜力。
一、GaN材料概论
自然界中，我们将材料按其导电性能可以分为三类，分别是导体、半导体、绝缘体。半导体指的是常温下导电性能介于导体和绝缘体之间，电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内的材料，与导体和绝缘体相比较，半导体材料具有特殊的电学性质，其电阻率受材料的自身纯度，外界温度，辐射等强烈影响。目前，半导体材料主要分为三代：第一代半导体材料主要以Si、Ge半导体材料为主，Ge半导体材料由于的耐高温和抗辐射性能较差，上世纪60年代后期Si逐渐成为第一代半导体的代表，第二代半导体材料主要是指化合物半导体，如砷化镓、锑化铟为二元化合物半导体、GaAsAl、GaAsP为三元化合物半导体，其中GaAS材料为代表的第二代半导体主要用于制作高性能的毫米波、微波或光电子器件，第三代半导体主要指的是以GaN，SiC，InN化合物为代表的宽禁带材料，相比于第二代半导体，其具有高电子迁移率，高电子浓度，耐高温，抗辐射等优点，更适宜于制作高温、高频以及大功率器件，目前，实验测得GaN材料的结构主要有以下三种，分别是纤锌矿结构、闪锌矿结构以及盐矿结构，在常温常压下，GaN主要以闪锌矿和纤锌矿的结构存在，纤锌矿结构由于其原子排列是在c轴方向，由2个六方密堆积结构沿轴平移5/8长度嵌套合成，而闪锌矿结构是在对角线方向，由两个面心立方结构平移1/4对角线长度嵌套而成，是一种亚稳态结构，闪锌矿结构和纤锌矿结构最大的不同是原子层的堆积顺序不同，而原子层堆积顺序的不同对材料的热力学稳定性有很大的影响。
观察组与对照组术后6个月膝关节主动屈曲活动度都显著高于术前（P＜0.05）；且观察组显著高于对照组（P＜0.05）。见表2。
表1 GaN、InN、AlN、SiC、GaAs、Si等晶体室温下的特性参数
二、GaN材料器件发展状况
由于第三代GaN材料本身具有以上的优势特性，在运用MOCVD（气相外延生长技术）解决了GaN材料薄膜异质外延生长技术之后，1992年，Khan等人在GaN材料中掺杂27%的Al组分并率先制造出了以蓝宝石为衬底的AlGaN/GaN异质结材料，由于AlGaN和GaN材料异质结表面存在电荷极化效应，经SDH量子霍尔效应证实了AlGaN/GaN异质结表面的确存在高浓度的二维电子气（2DEG）后，这一发现不仅为以AlGaN/GaN HEMT（高电子迁移率器件）的发展奠定了坚实基础，更为以Al-GaN/GaN HEMT为基础研制高功率微波器件拉开了帷幕，近年来，主要有以下成果：
2003年，Y.Ando，eta将第二代半导体器件中应用较为成熟的FP技术引入到AlGaN/GaN HEMT，钝化层的引入成功的减少了栅泄漏电流并且分散了栅下横向电场的分布，器件的栅漏间击穿电压从50V提升至160V。
会后，各有关单位要切实做好会议精神的贯彻落实，认真传达和贯彻好会议精神，制订切实可行的工作方案和措施，扎扎实实把各项工作落到实处。各省（自治区、直辖市）参加会议的同志要向党委政府分管领导汇报，向厅（局）党组汇报，重点汇报好陈雷部长的重要讲话精神，使地方党委政府全面了解水利改革发展中必须关注的重大问题，对本地区2012年水利规划计划工作尽早做出具体的安排部署。对贯彻落实本次会议精神，我提四点要求：
2008年，Y.Pe，ieta.l报道了挖槽斜栅工艺，也传统栅槽工艺相比较，该方法能有效地平缓电场，提高器件击穿电压，使得在更高频段器件的功率密度得以大大突破。
2005年，T.Palacios，eta.l设计的 AlGaN/GaN HEMT测得在160nm栅长，150nm栅宽的器件在40GHz下，功率密度达到10.5W/mm，增益5dB，功率附加效率为36%，VDS为30V。
图10 给出了整个网络中所有节点能量消耗总和与节点数的关系[11].CB-Sync是一种广播机制的算法,它无需一次通过对单点的同步来达到整个网络所有节点的同步,每次广播消息不针对特定的节点,每个节点根据前后收到的广播消息来实现自身的时间同步,因此CB-Sync算法不会随着网络规模的增大而需要对每个节点实现一次信息交互,整个网络中的能量消耗也不会增加.
2007年，V.Adivarahan，eta.采用场板绝缘栅设计和Al-GaN/InGaN/GaN双异质结材料结构，研制出在较低漏压下，0.7nm栅长、200nm栅宽MOSDHFET器件在2GHz下，功率密度为15W/mm。
2006年，Y.F.Wueta.l又设计了双场板结构，该结构在降低AlGaN表面陷阱电荷密度的同时，减少反馈寄生电容，平滑电场分布，提高击穿电压，研究表明，在4GHz下，栅宽246nmGaN HEMT，在135V的偏压下，功率密度达41.4W/mm，增益16dB，功率附加效率为60%。
她为了活下去，或者说，为了活得更滋润些，哪个男人看中她，她也看中他，她就和他好。聚聚散散，她都不放在心上，她心里只有他，只有诗。
2004年，Y.F.Wu eta.l设计了准栅场板结构，将栅长、SiN钝化层厚度和场板结构长度进行了精确优化，并将寄生电容与栅电容的比例的控制在15%以内，该实验得到在8GHz下，栅宽246nm的GaN HEMT功率密度为30.6W/mm的结果。
2010年，在Ku波段工作的GaN HEMT固态功率放大器的输出功率达到120W，该研究成果在Ku波段固态功率放大器替行波管放大器的道路上开辟了新的途径。
2012年，C.Wang等人在蓝宝石衬底上制作了0.2μm的V型栅 AlGaN/GaN HEMT，fT 为 35GHz ；f MAX 为 60 GHz.。在 10 GHz，20 V偏压下，输出功率密度达到4.44 W/mm，功率附加效率为49%。
2013年，Wang Cong等人在SiC衬底上制作的200μm栅宽的 AlGaN/GaN HEMT 器件，fT=29.6 GHz，f MAX=63.2GHz，在10GHz下功率密度为6.4 W/mm，功率附加效率为55%。
三、结语
随着以GaN材料为代表的第三代半导体的深入研究，其应用范围也不止用于制作军用雷达等大功率、高频率微波器件，凭借优良的材料特性，其在消费电子，LED照明，新能源汽车等方面也有出色表现，但我国第三代半导体材料的研究起步较晚，相对于国外先进国家技术水平仍处于较低水平，如何进一步提升Al-GaN/GaN HENT器件的击穿电压将进行深入研究。
（作者单位： 吉林建筑大学）
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