随着微电子产业的不断发展,以Si为代表的第一代半导体材料和以GaAs为代表的第二代半导体材料已经难以满足当前一些应用领域的要求,尤其是高频、高压、高功率和高温电子器件领域。以GaN和SiC为代表的第三代宽禁带半导体材料基于其优越的材料特性在上述应用领域中展现出巨大的潜力,尤其是GaN基材料具有的更高的电子迁移率、饱和漂移速度和击穿电场(如表4-1所示)等特性,成了国内外研究的热点。
表4-1 Si、GaAs、SiC和GaN材料特性的对比[1]
具体而言,Ga N基材料在电子器件方面的优势主要体现在以下五个方面。
第一,GaN基材料是直接带隙半导体并且具有非常大的禁带宽度。半导体的禁带宽度在很大程度上影响器件的高温特性。由于GaN材料的禁带宽度远大于Si和Ga As,GaN基器件具有更好的耐高温特性,高温下本征载流子浓度的增加不足以破坏外部电压对载流子浓度的调控能力。已有计算表明,GaN基器件的最高工作温度高于900℃[2]。实验上也已证实AlGaN/Ga N高电子迁移率晶体管在500℃时依然有很好的器件性能[3]。
第二,GaN基材料具有很高的电子漂移速度。饱和电子漂移速度的大小决定了器件的高频特性。在半导体材料中,由于禁带宽度和有效质量呈正相关的关系,因此速度和功率之间常常存在矛盾。然而,GaN材料除了较宽的禁带宽度外,还具有较好的电子输运特性。理论上Ga N电子饱和漂移速度可达到2.5×107 cm/s,是Si和Ga As的2.5倍。因而,Ⅲ族氮化物半导体非常适用于微波高频电子器件。
第三,GaN基材料的击穿电场很高,是高压器件得以实现的保障。例如,Ga N的临界击穿电场约为3.3 MV/cm,而Si和GaAs的临界击穿电场分别只有0.3 MV/cm和0.4 MV/cm。因而,Ga N基材料在高压大功率器件方面更具有应用潜力。
第四,GaN基材料具有很低的介电常数。介电常数在很大程度上决定了器件的荷电容量大小,Ga N的介电常数比Si、Ga As和InP的都要小。而介电常数越低,器件的阻抗就越小,因此对于同样的阻抗,介电常数小的材料可以实现更大的器件面积,从而有利于提高器件的射频功率。(www.xing528.com)
第五,除了GaN材料本身具有的优点外,GaN还能够与不同组分的Al N和In N结合成异质结结构,在能带工程上具有非常大的灵活性,能够充分发挥异质结结构的优点。
上述这些优点使得GaN相比于其他材料具有更加高的Johnson优值(FOM),Johnson优值被定义为单位栅宽上的功率和频率的乘积,是衡量材料在高功率、高频器件方面应用潜力的重要指标,其计算式为
图4.1所示的是多种材料的Johnson优值的比较。
图4.1 Ga N与其他材料Johnson优值的比较
本章将主要介绍几种典型的GaN基电子器件及它们在电力电子领域和微波高频领域的应用。
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