第1 章　緒　　論

半導體科技是二十世紀最重要和最有影響的高新科技之一，其重要性和影響力

一直延伸到了二十一世紀。半導體科技之所以如此重要，是因為它支撐了整個人類

信息社會的發(fā)展和進步，同時改變了人類社會的生產、生活、交往和思維方式。半導

體材料一直在半導體科技的發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用。1947 年，世界上第一只

晶體管被發(fā)明，它采用半導體鍺（Ge）材料，在室溫下的禁帶寬度為0.66 eV ；1958 年

誕生的第一塊集成電路實際上是一塊混合型集成電路，真正意義上的第一塊單片集

成電路是在1961 年誕生的，使用的依然是Ge 材料。到了1965 年，半導體硅（Si）材

料（室溫禁帶寬度為1.12 eV）超越Ge 材料成為半導體集成電路的主要材料。直到

今天，Si 材料仍然是微電子技術的主要半導體材料，無論集成電路還是太陽能電池，

絕大部分半導體產業(yè)以Si 材料作為支撐。我們通常稱Si 和Ge 為第一代半導體，主

要是因為它們的發(fā)展歷史較長。第二代半導體材料砷化鎵（GaAs，室溫禁帶寬度為

1.42 eV）和磷化銦（InP，室溫禁帶寬度為1.35 eV）是二十世紀七十年代引入的，主要是

滿足超高速、微波大功率器件和集成電路的需求。直到1997 年，InP 集成電路才實現(xiàn)

產品化。二十世紀末，第三代半導體（寬禁帶半導體）如氮化鎵（GaN，室溫禁帶寬度為

3.45 eV）和碳化硅（SiC，4H-SiC 室溫禁帶寬度為3.25 eV）開始有了重要發(fā)展。

第二代半導體材料GaAs 與Si 相比，除了禁帶寬度增大外，其電子遷移率與電

子飽和速度分別是Si 的6 倍和2 倍（如表1.1 所示），因此其器件適合高頻工作。

GaAs 場效應管器件還具有噪聲低、效率高和線性度好的特點。但相比于第三代半

導體GaN 和SiC 來講，GaAs 材料的熱導率和擊穿場強不高，因此其功率特性受到了

一定的限制。二十世紀八十年代初，GaAs 金屬半導體場效應管（ MESFET）的最高

輸出功率為1.4 W/mm @ 8 GHz［1］ 。雖然后來研究人員不斷嘗試各種方法以提高其性

能，但是提高功率密度仍然有限，目前最高功率密度僅達到1.57 W/mm @ 1.1 GHz［2］，

而且這是通過犧牲一定的工作頻率而獲得的。

二十世紀九十年代初，采用Si3 N4 作為絕緣柵的InP 金屬絕緣體半導體場效應

管（ MISFET）獲得了創(chuàng)紀錄的功率密度1.8 W/mm @ 30 GHz［3］ 。然而，無法避免的

高密度界面態(tài)導致InP MISFET 器件的電流電壓特性不夠穩(wěn)定，以至于很少投入

使用。此后成功研制的InP 高電子遷移率晶體管（ HEM T）器件獲得了1.45 W/mm

@ 30 GHz 的微波功率密度，同時擁有出色的電流電壓特性［4］ 。InP 器件的微波功

率特性之所以優(yōu)于GaAs，主要在于InP 具有略高的擊穿電場強度與電子飽和速度，

但是InP 器件在微波大功率應用方面仍然不夠理想［5 ］ 。在工作頻率達到100 GHz

或更高時，InP 材料的優(yōu)點能得到很好發(fā)揮（如圖1.1 所示），尤其在高速和低功耗模

圖1.1 　幾種典型半導體的應用領域

數(shù)混合集成電路方面具有很大優(yōu)勢。

為了滿足無線通信、雷達等應用對高頻

率、寬帶寬、高效率、大功率器件的需要，從二

十世紀九十年代初開始，化合物半導體電子器

件的研究重心開始轉向寬禁帶半導體器件［6］ 。

一般將禁帶寬度大于2 eV 的半導體稱為寬禁

帶半導體。如表1.1 所示，Baliga 優(yōu)值是表征

半導體材料高頻大功率應用潛力的常用指

標［7］，可見由于寬禁帶半導體GaN 和SiC 等

材料具有優(yōu)越的材料特性，如大的禁帶寬度、

高擊穿場強、高電子飽和速度等，十分適合微波/毫米波大功率器件的應用。

研究表明，SiC MESFET 微波功率器件的截止頻率f T 和最高振蕩頻率fmax 都在

20 GHz 范圍以內，所以SiC MESFET 器件適合在7 GHz 以下的頻率范圍內使用。

在包括氮化鎵（GaN） 、氮化鋁（AlN） 、氮化銦（InN）及其合金材料的III 族氮化物半導

體材料中，除了禁帶寬度較窄的InN（約0.7 eV），GaN 和AlN 都是寬禁帶半導體。

GaN 電子器件主要以GaN 異質結構HEM T 為主，在AlGaN/GaN 、InAlN/GaN 等

氮化物異質結構界面形成的二維電子氣（2DEG）具有很高的遷移率和極高的載流子

面密度，所以GaN HEM T 更適合于高頻大功率應用。而且GaN HEM T 結構可以

在SiC 、金剛石等高熱導率襯底上生長，從而具有極高的散熱特性，同時也可以在價

格低、工藝成熟、直徑大的Si 襯底上生長，具有低成本、高性能的優(yōu)勢。因此，GaN

HEM T 已經被認為是當前最理想的微波功率器件。

III 族氮化物材料除了在高頻功率器件方面應用外，其禁帶寬度范圍可完全覆蓋

整個可見光譜，在傳統(tǒng)半導體所無法制備的短波長光電子器件方面也具有廣泛的應

用。事實上，正是藍光發(fā)光二極管（ LED）的研究最早推動了III 族氮化物半導體材

料制備技術的進展。就III 族氮化物半導體材料中技術水平最成熟的GaN 而言，其

晶體熔點高達2300 ℃，但其分解點在900 ℃ 左右，所以制備Si 材料的熔融方法并不

適合用來制備GaN 單晶。在體晶生長和異質外延薄膜兩種制備方法中，薄膜異質外

延技術首先取得了突破。依靠金屬有機物化學氣相淀積（ MOCVD）和分子束外延

（ MBE）兩種有效的材料生長方法可以獲得高質量GaN 外延薄膜材料。在二十世紀

九十年代GaN 藍光LED 技術迅速走向產業(yè)化時，GaN 電子器件也開始得到研究和

發(fā)展。

在III 族氮化物電子器件研究的早期，經過MESFET 和異質結場效應管

（ HFET）等各種器件結構的嘗試，基于AlGaN/GaN 異質結構的HFET 迅速成為

GaN 電子器件的主流結構。由于氮化物材料具有很強的自發(fā)和壓電極化效應，未摻

雜的AlGaN/GaN 、InAlN/GaN 等異質結中能形成高密度二維電子氣，且二維電子

氣具有顯著高于體電子的遷移率，以至于GaN HFET 更常用的名稱為GaN 高電子

遷移率晶體管（ HEM T） 。

二維電子氣溝道的高導電特性結合GaN 材料的高耐壓能力，使得GaN HEM T

成為微波功率器件研究中的熱點。1993 年第一個GaN HEM T 器件誕生［8］，3 年后

GaN HEM T 首次得到了微波功率特性［ 9］，隨后輸出功率密度從最初的1.1 W/mm

@ 2 GHz 提高到了32.2 W/mm @ 4 GHz 和30.6 W/mm @ 8 GHz［10］，2006年又提高

到41.4 W/mm @ 4 GHz［11］ 。GaN HEM T 單個器件在柵寬達48 mm 時，實現(xiàn)了輸

出總功率230 W @ 2 GHz［12］ 。

氮化物電子器件能夠實現(xiàn)這樣快速的進展，首先是由于AlGaN/GaN 異質結電

子材料的質量和HEM T 器件的工藝技術水平不斷提高；其次，為了實現(xiàn)大的輸出功

率，通常采用散熱性能好的SiC 襯底，以及對器件表面淀積鈍化介質膜，來抑制與材

料陷阱相關的電流崩塌現(xiàn)象，提高了器件的微波性能與可靠性。在異質結材料外延

技術和器件工藝技術發(fā)展的同時，GaN 異質結構也在不斷發(fā)展進步，出現(xiàn)了諸如在

AlGaN/GaN 異質界面插入薄AlN 插入層、在AlGaN 表面附加GaN 帽層、在GaN

溝道下方引入AlGaN 或InGaN 背勢壘層等新的變化，以及對HEM T 器件結構的優(yōu)

化，如引入槽柵、場板結構等。這些材料與器件結構、工藝的進步都對GaN HEM T

器件性能的不斷提高發(fā)揮了重要的推動作用。

除了輸出功率密度和總功率，GaN HEMT 器件的工作頻率、增益和功率附加效

率等指標也在逐步提高，2011 年已報道截止頻率達到343 GHz［13］ 和W 波段輸出功

率密度達到1.7 W/mm @ 95 GHz［ 14］ 。在此過程中，為了實現(xiàn)氮化物技術與Si 技術

的融合，Si 襯底上的GaN HEMT 也得到了快速的發(fā)展。GaN 基高速數(shù)字電路的需

求促進了GaN 增強型HEM T 和增強/耗盡型HEM T 電路單元的發(fā)展。減小柵極

漏電的要求促進了GaN 金屬絕緣體半導體高電子遷移率晶體管（ MIS-HEM T）的

發(fā)展。利用與GaN 實現(xiàn)晶格匹配、二維電子氣密度更高、勢壘層厚度更薄的InAlN/

GaN 異質結構，近幾年實現(xiàn)了高頻性能更好的InAlN/GaN HEM T 和MIS-HEM T 。

2005 年，GaN HEM T 微波功率器件（以SiC 和Si 為襯底）出現(xiàn)了商業(yè)化產品。

不過產品的性能遠沒有發(fā)揮GaN HEM T 的潛力，也遠低于同期實驗室的研究水

平，這是因為GaN HEM T 器件在性能和可靠性提升方面仍有大量的問題尚未解

決。由于GaN HEM T 微波功率器件的研究在很大程度上借鑒了第二代半導體

GaAs 、InP 及其異質結在材料和器件物理以及制備工藝方面的研究經驗，因此市場

需求的推動和相似技術提供的基礎促進了氮化物材料和器件在技術層面迅速發(fā)展

并走向商業(yè)化，但大量基礎性的科學問題研究并不深入，于是形成了一定程度上市

場需求超前于技術發(fā)展、技術超前于基礎研究的局面。氮化物半導體電子器件領

域仍有若干基礎科學問題尚未解決。相比于成熟的Si 和GaAs 器件，氮化物半導

體面臨的主要難題包括：異質外延導致的氮化物材料缺陷密度高，強極化效應與表

面態(tài)的控制，高工作電壓導致的器件漏電大、可靠性差等問題。在未來很長時間仍

然有很多問題需要深入研究。例如，基于不同襯底的氮化物材料外延生長方法、材

料缺陷行為及其表征、器件的材料層結構與優(yōu)化、層結構的極化機理與極化應用

（極化工程），器件柵結構和增強型器件的實現(xiàn)等。

我國在氮化物半導體材料和電子器件方面的研究開始于二十世紀九十年代末

期，在近10 多年的不斷努力下取得了明顯的進步，在AlGaN/GaN HEMT 器件、

MIS -HEM T 器件、增強型HEM T 器件和晶格匹配InAlN/GaN 、HEM T 器件等方

面取得了大量研究成果。特別是近年來在國家科技重大專項的支持下，我國GaN

HEM T 微波功率器件和單片微波集成電路（ MMIC）的性能與可靠性獲得了不斷提

高：C 波段連續(xù)波60 W 的內匹配功率管研制成功，S 波段脈沖功率近百瓦的GaN 功

率管已開始進入工程應用階段。隨著基礎研究和工程應用的深入，我國氮化物半導

體技術和產業(yè)的發(fā)展速度將進一步加快。

參考文獻

［1］ MACKSEY H M，DOERBECK F H. GaAs FETs having high output powerper unit gate

width［J］. IEEE Electron Device Letters，1981，EDL-2（6）：147-148.

［2］ CHEN C L，SMITH F W，CLIFTON B J，et al. High-power-densityGaAs MISFETs with a

low-temperature-grown epitaxial layer as the insulator［ J］. IEEEElectron Device Letters，

1991，12（6） ：306-308.

［3］ SAUNIER P，NGUYEN R，MESSICK L J，et al. An InP MISFET with apower density of

1.8 W/mm @ 30 GHz［J］. IEEE Electron Device Letters，1990，11（1）：48-49.

［4］ AINA O，BURGESS M，MATTINGLY M，et al. A 1.45-W/mm，30-GHzInP-channel

power HEMT［J］. IEEE Electron Device Letters，1992，13（5）：300-302.

［5］ WU Y F.AlGaN/GaN microwave powerhigh-mobility-transistors［D］.Santa Barbara ：Univer-

sity of California，1997.

［6］ 郝躍，彭軍，楊銀堂．碳化硅寬帶隙半導體技術［M］.北京：科學出版社，2000.

［7］ BALIGA B J. Power semiconductor device figure of merit forhigh-frequency applications［J］.

IEEE Electron Device Letters，1989，10（10） ：455-457.

［8］ KHAN M A，BHATTARAI A，KUZNIA J N，et al. High electronmobility transistor based

on a GaN-Alx Ga1 -x N heterojunction［J］. Applied PhysicsLetters，1993，63（9） ：1214-1215.

［9］ WU Y F，KELLER B P，KELLER S，et al. Measured microwave powerperformance of

AlGaN/GaN MODFET［J］. IEEE Electron Device Letters，1996，17（9）：455-457.

［10］ WU Y F，SAXLER A，MOORE M，et al. 30-W/mm GaN HEMTs by fieldplate optimiza-

tion［J］. IEEE Electron Device Letters，2004，25（3） ：117-119.

［11］ WU Y F，MOORE M，SAXLER A，et al.40-W/mm double field-platedGaN HEMTs［C］.

Device Research Conference，June 26-28，2006. Piscataway NJ，USA ：IEEE，2006.

［12］ OKAMOTO Y，ANDO Y，HATAYA K，et al.Improved power performancefor a recessed-

gate AlGaN-GaN heterojunction FET with a field-modulatingplate［J］.IEEE Transactions on

Microwave Theory and Techniques，2004，52（11） ：2536-2540.

［13］ SHINOHARA K，REGAN D，CORRION A，et al.Deeply-scaledself-aligned-gate GaN DH-

HEMTs with ultrahigh cutoff frequency［C］.2011 IEEE InternationalElectron Devices Meet-

ing，December 5-7，2011.Washington DC，USA ：Institute of Electricaland Electronics Engi-

neers Inc.，2011.

［14］ BROWN D F，WILLIAMS A，SHINOHARA K，et al. W-band powerperformance of

AlGaN/GaN DHFETs with regrown n+ GaN ohmic contacts by MBE［C］.2011 IEEE Inter-

national Electron Devices Meeting，December 5-7，2011. WashingtonDC，USA ： Institute of

Electrical and Electronics Engineers Inc.，2011.

第2 章　III 族氮化物半導體材料的性質

III 族氮化物半導體材料主要指AlN 、GaN 、InN 以及這3 種二元材料相互組成

的三元、四元合金（ AlGaN 、InGaN 、InAlN 、AlInGaN） 。由于III 族氮化物電子器件

的材料結構以異質結為主，所以本章主要介紹與異質結材料研究關系密切的晶體結

構、能帶結構、電子輸運、極化效應等性質，并介紹材料性質測試分析的部分手段和

方法。

2.1 　III 族氮化物的晶體結構和能帶結構

2.1.1 　GaN 、AlN 和InN

氮化物半導體晶體材料存在六方纖維鋅礦（簡稱纖鋅礦，wurtzite）和立方閃鋅

礦（zinc-blende）兩種不同的晶體結構，以GaN 為例，如圖2.1 所示［1］ 。

晶體結構的形成主要由晶體的離子性決定。在化合物半導體晶體中，原子間的

化學鍵既有共價鍵成分，也有離子鍵成分，離子鍵成分越多則晶體的離子性越強，越

容易形成纖鋅礦結構。氮化物半導體晶體都是強離子性晶體，因此在室溫和大氣壓

下，纖鋅礦結構是氮化物半導體最常見結構，也是熱力學穩(wěn)態(tài)結構，而閃鋅礦結構則

是亞穩(wěn)態(tài)結構。纖鋅礦GaN 屬于六角密堆積結構，P63 mc 空間群，其密排面只有

（0001），每個晶胞有12 個原子，包括6 個Ga 原子和6 個N 原子，其面內和軸向的晶