1  绪论

1.1  课题背景

1.1.1  引言

从上个世纪50年代开始,半导体技术得到了飞速发展。在半导体材料分类中,我们把 Ge和 Si称为第一代半导体， GaAs，InP，GaP，InAs以及三元四元合金称为第二代半导体[1]。而宽禁带半导体材料(Eg 大于或等于2.3 ev)被称为第三代半导体材料。主要包括金刚石、SiC、GaN等。随着微波技术的发展，晶体管对频率和功率要求越来越高，对于传统的第二代半导体材料由于其禁带宽度窄、击穿电场低等特点，制成的器件已不能满足技术发展的需要[2]。而基于第三代宽禁带半导体材料 GaN的 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管因其广阔的高频大功率应用前景而成为目前研究的热点[3]。

以 GaN为原料生产的芯片早就被大量地运用于卫星通讯、军事武器等国防工业上，只是其应用范围狭隘，且产业结构较为封闭。不过，随着近年来通信事业的发展，由 GaN制造的芯片正逐渐被广泛地应用在无线通信功率放大器件中。

1.1.2  GaN材料特性

GaN的化学性质十分稳定，耐高温、耐腐蚀、非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件[6]。

GaN材料还具备很多第二代半导体材料不具备的优点[1]：

(1) 宽禁带：宽禁带使材料能够承受更高电压和更高温度， GaN 禁带宽度为 Si 的三倍、GaAs 的两倍多，其工作温度可以达到 700 ℃，因此能够应用到更严酷的环境。

(2) 高击穿电场：高击穿电场意着材料能工作于更高电压，从而提高输出功率。GaN 击穿电场远高于 GaAs 和 Si，使其可以满足更高的功率要求。

(3) 电子饱和速度高：电子饱和速度高意着高开关性能和强电流处理能力，高频性能优异。

另外，对于大功率应用，常规的以 Si、GaAs等窄禁带半导体为基础的器件受材料自身的限制，在功率指标上很难有进一步的提高，通常用作微波功率器件的GaAs MESFET在工作频率超过1 GHz的条件下,其输出功率密度的最高纪录长期维持在1.5 W/mm左右[7]。虽然这个指标已接近材料允许的极限，但仍难满足很多应用场合的需求。新兴的第三代半导体 SiC、GaN和 AlN等材料具有禁带宽度大，耐压能力强的优势，从而可以实现更高的功率密度[8]。

1.1.3  GaN材料制作工艺与技术

最早GaN材料是通过化学合成的办法获得的[9]。但是该方法不能生产大块的GaN单晶，故而无法用于制作器件。随着薄膜生长技术的发展，氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy ，HVPE)方法被用来生长GaN单晶外延。后来的研究发现只要在生长GaN晶体前在衬底上预先生长一层成核的GaN或AlN层就可使 GaN与衬底之间的应力得到驰豫，从面大大提高薄膜质量。通过这一生长方法，并得益于分子束外延(molecular beam epitaxy ，MBE)和有机金属化学汽相淀积(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)技术的运用，GaN外延材料的质量得以大幅度提高。然而，目前的制作工艺还是有待改进的，由于AlGaN/GaN HEMT存在着比较严重的电流崩塌现象，这严重影响了器件的性能。有效抑制电流崩塌的措施是SiN钝化和盖帽层生长。

从 Khan等人 1993年报道了第一只 AlGaN/GaN HEMT以来，人们围绕高频率、高功率密度和大功率等目标而不断努力，采用各种技术提高晶体管的性能。下面详细就介绍一些主流技术：

(1) 短栅技术

电流增益截止频率fT和最大振荡频率fmax是微波功率晶体管的两个重要特征值。截止频率与栅长成反比，因此，缩短栅长就成了提高频率的直接手段。1999年，Breitschadel等人就报道了栅长70 nm的短沟道AlGaN/GaN HEMT。现在，短栅技术已发展到 100 nm 以下，30 nm 也是目前报道的最短栅长[10]。