lnP基HEMT器件关键工艺的研究文献综述

文 献 综 述

随着社会的发展和技术的进步，宽带通信、高精度雷达和航空遥感等军民用领域对高频系统的需求愈加迫切。其中毫米波段以频带宽、空间分辨率高、方向性好、地面杂波和多径向效应影响小等优点，在精确制导、电子对抗、军事通讯等军用方面有广泛的应用前景，并且表现出巨大的民用商业利益：其中包括毫米波卫星通信、直播广播卫星、测量雷达、车船防撞、地形测绘和射电天文等方面。伴随着社会信息化进程，毫米波系统成为军民用研发的热点，成为各国竞相开发和应用的重点频段。近年来，随着我国电子装备和通讯系统等领域的发展，对毫米波元器件及集成电路的需求持续上升，然而，国外对各种高频核心器件尤其是可工作在毫米波、亚毫米波的器件及生产技术实施一个的禁运。从长远的角度考虑，我们必须依靠自身力量，独立研发可工作在毫米波的器件和电路，发展我们自己的毫米波事业，摆脱依赖进口，实现自主创新发展已经成为日益迫切的战略任务。

信息技术的发展促进了半导体材料、器件和电路的飞速发展。半导体材料至今已经历经三代。锗和硅及其集成电路引发了现代产业革命，深刻的影响着社会生活的各个方面。硅作为第一代半导体材料的典型代表，便于片上系统集成的设计和实现，被广泛用在民用S波段以下的领域。然而，收到摩尔定律的约束，硅工艺器件在高频应用中收到限制，纳米加工技术和能带工程在高频应用需求下应运而生。及锗和硅之后，III-V族化合物半导体器件及其集成电路在微波、毫米波通信，超高速数字电路，光电子和军事应用等许多领域逐渐显示出其重要性。与硅相比，化合物半导体为直接带隙半导体，具有优越的光电特性，电子迁移率高，饱和速度大，具有优异的频率特性，成为毫米波段系统核心部件。

凭借优良的频率特性，III-V族化合物半导体器件和相关高频、高速电路正日益成为毫米波系统核心部件，成为大家竞相研究的焦点。在众多的III-V族化合物半导体器件中，磷化铟（lnP）基高电子迁移率晶体管（HEMT）具有电子迁移率高、噪声低、功耗低及增益高等特点，在高速、高频等应用领域占据了重要的地位。虽然目前lnP HEMT还受到材料昂贵且易碎等方面的制约，但是凭借优异 的高频特性和低噪声性能，被公认为是实现超高速低噪声、功率放大电路的最佳选择，拥有非常广阔的应用前景。因此，无论是满足军事国防需求还是提高我国在未来信息市场的竞争力，我们必须首先独立研发高频lnP HEMT器件。

早在1969年Esaki和Tsu就提出：在异质结结构中，通过电离施主杂质和电子相分离的方式可实现高频HEMT器件。随着分子束外延（MBE）和有机金属化学气相沉积（MOCVD）等外延技术的突破，人们基于异质结结构制作出各种新型微电子和光电子器件。1980年栅长为1um的lnP基HEMT器件问世。1989年Aust等人首次报道了基于赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）的单片微波集成电路（MMIC）1990年Smith等人基于lnP基HEMT成功研制出首款两级低噪声MMIC。近年来，随着电子束工艺的诞生，亚0.1um量级T型栅工艺使的HEMT器件向THz高频方向迅速发展，相关电路已经表现出向亚毫米波段迅猛发展的态势。

GaN是近年来国际上备受关注的第三代半导体材料，其禁带宽度比较宽，在UHF到W波段范围内能实现高功率、高效率特性，功率密度比GaAs和lnP高6~10倍，目前能实现单片2W的功率输出水平，成为毫米波段功率型应用的不二选择。然而目前无法均匀一致的生长GaN单晶材料，通过外延的方式也只能生长大约2um GaN材料，不得不选择SiC或者蓝宝石作为衬底进行异质外延生长，这无形中增加了成本。同时，异质外延的晶格失配会形成大量的体缺陷，降低了器件频率特性。另外，GaN器件制备过程无法进行湿法腐蚀，N等离子注入形成台面隔离，干法刻蚀栅槽过程都会对材料形成损伤，而减低频率特性。相对于lnP材料，成本和频率特性的限制成为GaN材料的软肋。因此在毫米波频段功率应用中,lnP基HEMT占用特殊地位。

毫米波段以频带宽、空间分辨率高、方向性好、地面杂波和多径向效应小等优点，在国防安全与与民用商业领域表现出极大的潜力，成为各国竞相研究的焦点。lnP基HEMT具有电子迁移率高、噪声低、功耗低及增益高等特点，在高速、高频等应用领域中占有重要的地位。与国外相比，我国lnP基材料、器件和电路的研究起步较晚，原型化W波段MMIC鲜有报道，成熟化的成品更是一片空白，我们必须进一步加强相关的研究工作，拥有自己的核心技术。这也充分说明了开展lnP基HEMT器件及相关电路研究的迫切性。

参考文献

[1]Aksun M I, Peng C K, Ketterson A A, et al. High frequency modulation doped field effect transistors in lnAlAs/lnGaAs/lnP material system. Proceedings of the International Electron Devices Meeting, Los angeles, CA, 1986:822-823

[2]Aust M , Yonaki J, Nakano K, et al. V-band monolithic two stage HEMT amplifiers. Proceedings of the IEEE Military Communications Conference, Conference Record Bridging the Cap Interoperability, Survivability, Security, Boston, MA, 1989:739-743

[3]Chao P C, Tessmer A J, Duh K H G, et al. W-band low noise lnAlAs/lnGaAs lattice-matched HEMTs. IEEE Electron Device Letters. 1990, 11(1):59-62

[4]Ho P, Kao M Y, Chao P C, et al. Extremely high gain 0.15mu m gate-length lnAlAs/lnGaAs/lnP HEMTs. IEEE Electronics Letters. 1991,27(4):325-327

[5]Endoh A, Yamashita Y, Higashiwaki M, et al. High 50nm gate lattice-matched lnAlAs/lnGaAs HEMTs. Proceedings of the international Conference on Indium Phosphide and Related Materials, Williamsburg, VA,2000:87-90

[6]Shinohara K, Yamashita Y, Endoh A, et al, Pseudomorphic HEMTs with reduced source and drain resistance. IEEE Electron Device Letters.2002,23(10):573-575

[7]刘亮，张海英，尹军舰等。功率增益截止频率为183GHz的 HEMTs. 半导体学报.2007,28(12):1860-1863

[8]高喜庆，高建峰，康耀辉等，栅长90nm的晶格匹配lnAlAs/lnGaAs/lnP HEMT.电子与封装.2009,9(7):34-36

[9]Huang Jie, Guo Tianyi, Zhang Haiying, et al. Fabrication of a 120 nm gate-length lattice-matched lnGaAs/lnAlAs lnP-based HEMT. Journal of Semiconductors . 2010,31(9):093008-1-094008-4.

[10]刘永强，曾志，刘如青等。 宽带W波段低噪声放大器的设计与制作。半导体技术.2009，34（6）:579-581