SiC MESFET工艺技术研究与器件研制

针对SiC衬底缺陷密度相对较高的问题,研究了消除或减弱其影响的工艺技术并进行了器件研制。通过优化刻蚀条件获得了粗糙度为2.07nm的刻蚀表面;牺牲氧化技术去除刻蚀带来的表面损伤层,湿氧加干氧的氧化方式生长的SiO2钝化膜既有足够的厚度又保证了致密性良好的界面,减小了表面态对栅特性和沟道区的影响,获得了理想因子为1.17,势垒高度为0.72eV的良好的肖特基特性;等平面工艺有效屏蔽了衬底缺陷对电极互连引线的影响,减小了反向截止漏电流,使器件在1mA下击穿电压达到了65V,40V下反向漏电流为20μA。为了提高器件成品率,避免或减小衬底缺陷深能级对沟道电流的影响,使用该工艺制备的小栅宽SiC MESFET具有195mA/mm的饱和电流密度,-15V的夹断电压。初步测试该器件有一定的微波特性,2GHz下测试其最大输出功率为30dBm,增益大于5dB。

富磷熔体生长InP单晶的均匀性研究

采用原位磷注入合成法在高压单晶炉内合成富磷的磷化铟(InP)熔体,并利用液封直拉法(LEC)生长出了掺硫及掺铁单晶材料。分别用快速扫描光荧光谱技术(PL-Mapping)、扫描电镜和傅里叶红外光谱对富磷单晶样品进行了研究。结果表明,在富磷条件下拉制的InP单晶会出现孔洞,致使在孔洞周围及远离区域晶体结晶质量和晶格常数存在差异,并且孔洞的存在会造成杂质分布的不均匀性。由于孔洞附近区域具有较高浓度的缺陷,而缺陷对杂质的吸引作用致使孔洞附近区域杂质浓度较远离孔洞区域有所增加。

GaN高频开关电力电子学的新进展

宽禁带半导体的发展给电力电子领域带来新一代功率开关器件,随着Si C功率器件的发展,Ga N功率高电子迁移率晶体管(HEMT)在微波毫米波领域发展成熟的同时,又在电力电子的高频开关方面进入应用创新的发展阶段。综述了近几年Ga N功率HEMT在高频开关方面的最新进展:高频高效率开关应用;高功率密度;栅极驱动电路设计;大功率集成;热设计和可靠性研究等。重点介绍了基于Ga N功率HEMT在高频开关中应用的特点,在电路拓扑结构设计、寄生参量的抑制、栅极驱动电路设计、功率集成、散热设计与工艺和失效机理等创新。Ga N高频开关电力电子学在应用创新方面已取得重要进展。

SiC和GaN电子材料和器件的几个科学问题

扼要地叙述了宽禁带半导体SiC和GaN电子材料和器件的发展状况,介绍了SiC多形体、AlGaN/GaN异质结极化效应、GaN器件的电流塌陷效应和陷阱效应、SiC和GaN器件的特征工艺问题(离子注入、金属化等)以及温度升高时SiC载流子的冻析效应等。

GaN高频开关电力电子学的新进展(续)

4功率集成为了更好地发挥Ga N功率HEMT的潜在优势,推向电力电子应用的实用化,需要从器件级到变换器级,再到系统级的角度来重新审视和构建电力电子的变换器以更好地适应和充分利用新的Ga N功率HEMT。Ga N开关的电磁体积和系统中的互联、无源元件和冷却结构的电磁体积相比,可以忽略不计。为提高Ga N功率开关的电流,减少导通电阻,

非配比InP材料研究进展

InP的配比度对晶体质量及相关器件性能有重要影响。若In-P熔体为富铟状态,不仅不容易生长单晶,而且易出现铟夹杂物;若熔体为富磷状态,则晶体中深能级缺陷将大幅增加,磷富余量过多时容易在晶体尾部产生孔洞,在孔洞周围位错密度明显增加。综述了与配比相关的InP材料的研究工作,着重分析了InP相图、不同配比InP材料制备、配比度的测量、与非配比相关的缺陷等方面的研究。重点探讨了非配比InP材料的制备、与配比相关缺陷的产生及缺陷对晶体质量的影响,对非配比InP的研究方向进行了分析和预测,提出了亟待研究解决的问题。

半密封直拉法生长6英寸磷化铟单晶热场研究

磷化铟(InP)是一种重要的化合物半导体材料。InP由于性能优异,在高频电子器件及红外光电器件领域的应用日趋增多。目前,磷化铟器件的价格远高于砷化镓器件,其主要原因是磷化铟单晶成品率低,以及晶圆尺寸较小造成外延和器件工艺成本居高不下。增大InP单晶的直径对降低晶圆及半导体工艺成本至关重要。制备大尺寸InP单晶的主要难点是提高晶体的成品率和降低晶体的应力。目前行业内通常使用垂直梯度凝固(Vertical gradient freeze,VGF)法和液封直拉(Liquid Encapsulated Czochralski,LEC)法制备InP。VGF法在制备6英寸(15.24 cm)InP方面鲜有建树,LEC法制备的晶体往往具有更高的应力和位错密度。本研究展示了半密封直拉(Semi-Sealed Czochralski,SSC)法在生长大直径化合物半导体材料方面的优势,采用数值模拟方法分析了LEC法和SSC法中熔体、晶体、氧化硼和气氛中的温度分布,重点分析了SSC技术的温度分布。模拟结果中,SSC法晶体中的温度梯度为17.4 K/cm,明显低于LEC法中的温度梯度28.7 K/cm。在等径阶段SSC法晶体肩部附近气氛温度比LEC法高504 K。根据模拟结果对SSC法热场进行了优化后,本研究得到了低缺陷密度、无裂纹的6英寸S掺杂InP单晶,证实了SSC法应用于大尺寸InP单晶生长的优势。

LEC法生长富磷掺铁InP单晶晶格应变与残留应力研究

运用原位磷注入合成法在高压单晶炉内合成富磷的InP熔体,并利用液封直拉法(LEC)生长出了3英寸富磷掺Fe的InP单晶。运用高分辨率X射线衍射技术、偏振差分透射谱测试技术、光致荧光谱技术对富磷掺Fe的InP晶片进行了结构、应力及发光特性测试。结果表明,晶格的应变导致了PL发光峰峰位的变化,晶格应变与残留应力测试结果相一致,说明材料生长过程中的热应力是导致样品晶格常数分布不均匀的主要因素。

功率模块用陶瓷覆铜基板研究进展

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是电力电子领域中最重要的大功率器件,大规模应用于电动汽车、电力机车等领域。陶瓷覆铜板既具有陶瓷的高导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特性,又具有无氧铜金属的高导电性和优异的焊接性能,是IGBT功率模块封装的不可或缺的关键基础材料。本文介绍了陶瓷覆铜板中陶瓷基板材料和覆铜技术的研究现状,并展望了陶瓷覆铜板在下一代功率模块上的应用前景。

带数字驱动的Ku波段6bit数控衰减器设计

采用GaAs增强/耗尽型（E/D）赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）工艺研制了一款带数字驱动的Ku波段6bit数控衰减器微波单片集成电路（MMIC）。该MMIC将数字驱动和6bit数控衰减器集成在一起,数字驱动电路采用的是直接耦合场效应晶体管逻辑（DCFL）电路,6bit数控衰减器由6个衰减基本态级联组成。版图经过合理优化后,最终的MMIC芯片尺寸为2.4mm×1.3mm。测试结果表明,在12~18GHz,芯片可以实现最大衰减量为31.5dB,步进为0.5dB的衰减量控制。衰减64态均方根误差小于0.6dB,附加相移-2°~2.5°,插入损耗小于6.1dB,输入输出驻波比均小于1.5∶1。

基于GaAs E/D PHEMT工艺的6～10 GHz多功能MMIC

采用Ga As衬底增强/耗尽型赝配高电子迁移率晶体管（E/D PHEMT）工艺研制了一款6～10 GHz多功能微波单片集成电路（MMIC）。其集成了4个单刀双掷开关、6 bit数控移相器、6 bit数控衰减器、3个放大器和14 bit并口驱动电路。测试结果表明：接收支路增益大于8 d B,1 d B压缩点输出功率大于3 d Bm;发射支路增益大于1 d B,1 d B压缩点输出功率大于8 d Bm。移相64态均方根误差小于3°,衰减64态均方根误差小于1 d B。在工作频带内接收和发射两种状态下,输入输出驻波比均小于1.5∶1。经过版图优化后,芯片尺寸为3.5 mm×5.1 mm。该多功能MMIC可用于微波收发组件,对传输信号进行幅相控制。

S波段GaN功率放大器MMIC

基于0.25μm Ga N HEMT工艺,研制了一款S波段Ga N功率放大器单片微波集成电路（MMIC）。该电路采用三级拓扑放大结构,提高了放大器的增益;采用电抗匹配方式,减小了电路输出级的损耗,提高了MMIC的功率和效率。输出级有源器件的布局优化,改善了放大器芯片的温度分布特性。测试结果表明,在2.8~3.6 GHz测试频带内,在脉冲偏压28 V（脉宽100μs,占空比10%）时,峰值输出功率大于60W,功率附加效率大于45%,小信号增益大于34 d B,增益平坦度在±0.3 d B以内,输入电压驻波比在1.7以下;在稳态偏压28 V时,连续波饱和输出功率大于40 W,功率附加效率38%以上。该MMIC尺寸为4.2 mm×4.0 mm。

InP中的深能级杂质与缺陷

综述了近年来关于InP中深能级缺陷和杂质的研究工作。讨论了深能级杂质及缺陷对InP材料性能的重要影响;介绍了深能级瞬态谱(DLTS)、光致发光谱(PL)、热激电流谱(TSC)、正电子寿命谱(PAS)、正电子深能级瞬态谱(PDLTS)等几种研究深中心的方法在研究InP时的某些特点;综合深能级缺陷和电学性质的测试结果,证明了半绝缘InP单晶材料的电学性能、热稳定性、均匀性等与材料中一些深能级缺陷的含量密切相关;分析了对掺铁和非掺退火两种半绝缘InP材料中深能级缺陷对电学补偿的影响;评述了对InP中的一些深中心所取得的研究成果和半绝缘InP的形成机理。

SiC JFET功率特性的仿真与优化

建立了常关型SiC结型场效应晶体管(JFET)功率特性的数值模型,研究了不同的结构和材料参数对器件功率特性的影响。仿真结果显示,沟道层、漂移层等各层的厚度及掺杂浓度对器件的开态电阻和击穿电压都有明显的影响;采用电流增强层可以明显提高器件的功率特性。研究结果表明,对SiC JFET的结构参数进行优化,可以有效提高器件的优值(FOM)。

N极性GaN/AlGaN异质结和场效应晶体管（英文）

由于晶格的反转和随之而来的极化场的反转,N极性面氮化物材料已经成为微波功率器件应用的理想材料之一。在2英寸(1英寸=2.54cm)偏角度4H-SiC衬底上通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方法生长了N极性面GaN/AlGaN异质结材料,使用X射线衍射仪(HR-XRD)、原子力显微镜(AFM)、Raman光谱仪和扫描电子显微镜(SEM)等对材料进行了表征。结果表明,N极性面GaN/AlGaN异质结材料的二维电子气面密度和迁移率分别为0.92×1013cm^(-2)和1035cm^2/(V·s)。制备了N极性GaN/AlGaN异质结场效应晶体管(HFET)。测试结果表明,1μm栅长的n极性面GaN/AlGa NHFET器件峰值跨导为88.9mS/mm,峰值电流为128mA/mm。

介质膜性质及表面处理对GaN HEMT特性的影响

GaN HEMT器件经过钝化后,抑制电流崩塌效应明显,但同时产生其他负面效应,为了改善目前GaN HEMT钝化后漏电增加和击穿电压减小等情况,研究了钝化技术对GaN HEMT电流特性的影响,包括介质膜应力、折射率和表面预处理与器件饱和电流、电流崩塌量的关系,优化了表面预处理和钝化工艺条件。实验效果在GaN HEMT电特性上的改善明显。结果表明,采用折射率为2.1～2.2的SiN钝化膜,饱和电流密度增加到1100mA/mm,电流崩塌量小于10%,肖特基接触反向偏压为-20V时泄漏电流达10-5A数量级。

X波段GaN HEMT的研制

采用双台面隔离工艺,实现了器件有源区隔离,隔离电压大于250V/10μA。通过对金属化前和介质膜淀积前的预处理过程的改进,实现了较理想的肖特基势垒特性,电压也得到了大幅度提高,理想因子n值小于1.7,源漏击穿电压大于50V/1mA,栅源击穿电压大于40V/1mA,最终实现器件X波段连续波输出功率20W,功率增益7dB,功率密度8W/mm。

富铟熔体生长InP单晶的晶体缺陷及物理特性

通过磷注入法合成并利用液封直拉法(LEC)生长了富铟InP单晶,将晶锭进行定向切割、研磨和抛光,得到InP抛光片。用金相显微镜、扫描电镜、快速扫描光荧光谱(PL-Mapping)技术、高分辨率XRD射线衍射技术研究了富铟非掺InP单晶样品特性。结果表明,在富铟条件下生长的InP单晶会出现富铟夹杂,这种富铟夹杂可导致其周围位错密度升高,同时富铟夹杂在晶片内分布也是不均匀的,在晶片中心部分富铟夹杂的密度高,在边缘部分密度低。对富铟夹杂形成及不均匀分布的原因进行了分析,讨论了富铟夹杂对PL-Mapping发光峰峰值的影响。

蓝宝石衬底上生长AlGaN/AlN结构的应变分析

采用低温和高温AlN复合缓冲层的方法在蓝宝石衬底上外延生长AlGaN/AlN结构,并进行了应变分析。通过X射线双晶衍射ω-2θ扫描曲线和拟合曲线分析发现,AlN是由两个不同弛豫度的应变缓冲层组成,弛豫度分别为96%和97.2%。AlN缓冲层在低温下不完全弛豫,导致高温下存在一个继续弛豫过程。X射线双晶衍射和透射光谱分析发现,AlGaN层Al组分由于未知的AlGaN弛豫度而无法确定。对AlGaN带隙公式和实验结果进行拟合,推算出弯曲系数为1.05 eV,这与已有文献相吻合。