寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）以其良好的物理化學(xué)和電學(xué)性能成為繼第一代元素半導(dǎo)體硅（Si）和第二代化合物半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷化銦（InP）等之后迅速發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料。與目前絕大多數(shù)的半導(dǎo)體材料相比，GaN 具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：禁帶更寬、飽和漂移速度更大、臨界擊穿電場(chǎng)和熱導(dǎo)率更高，使其成為最令人矚目的新型半導(dǎo)體材料之一。目前，GaN 基發(fā)光器件的研究已取得了很大進(jìn)展[1~ 3] ，在國外工作于綠光到紫光可見光區(qū)內(nèi)的GaN LED 早已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化[2]；國內(nèi)多家單位成功制作了藍(lán)色發(fā)光二極管，并初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化[3]。而眾多的研究[4~ 14] 表明，GaN 材料在制作耐高溫的微波大功率器件方面也極具優(yōu)勢(shì)。筆者從材料的角度分析了GaN 適用于微波器件制造的原因，介紹了幾種GaN 基微波器件最新研究動(dòng)態(tài)，對(duì)GaN 調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFETs）的工作原理以及特性進(jìn)行了具體分析，并同其他微波器件進(jìn)行了比較，展示了其在微波高功率應(yīng)用方面的巨大潛力。

1、材料特性

GaN 基微波器件所展現(xiàn)出的良好性能與其基礎(chǔ)材料特性是密不可分的。從表1 可看出，與Si、GaAs 和SiC 相比，GaN 的禁帶寬度最寬、擊穿電場(chǎng)最高、熱導(dǎo)性也明顯優(yōu)于Si 和GaAs，充分表明GaN 材料在微波大功率器件制造方面所具有的巨大的優(yōu)勢(shì)。

表1、GaN 材料特性參數(shù)

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圖1是300 K 時(shí)GaN、Si、SiC 以及GaAs 的電子漂移速度同電場(chǎng)的關(guān)系。從圖中可看出GaN 的電子飽和漂移速度明顯高于其他材料，表明GaN 非常適于制造高功率、大電流器件[15]。另一方面，GaN 具有較高的電子遷移率（體材料中為1 000 cm/（V·s）），使得在制造GaN 微波器件時(shí)會(huì)產(chǎn)生低的寄生和通道電阻，從而獲得具有良好特性的器件。此外，作為直接帶隙半導(dǎo)體材料，GaN 與AlN 可形成帶隙從3.4 eV到6.2 eV連續(xù)變化的合金，形成可摻雜、可調(diào)制的AlGaN/ GaN 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，利用這種結(jié)構(gòu)形成的量子化二維電子氣（2DEG）效應(yīng)可以獲得更高的電子遷移率和飽和電子漂移速度。目前，AlGaN/ GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)正逐步被應(yīng)用于微波器件制造領(lǐng)域。筆者對(duì)AlGaN/ GaN 異質(zhì)結(jié)和AlGaAs/ GaAs 異質(zhì)結(jié)的一些重要參數(shù)進(jìn)行了比較，見表2。從表中可看出，AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)比AlGaAs/ GaAs 異質(zhì)結(jié)具有明顯的材料優(yōu)勢(shì)，更適于微波應(yīng)用。西安電子科技大學(xué)利用MOCVD 分別在藍(lán)寶石和SiC 襯底上生長出優(yōu)質(zhì)的AlGaN/ GaN 異質(zhì)結(jié)材料，目前在藍(lán)寶石上得到的該材料室溫下2DEG 的遷移率與面電荷密度積已經(jīng)達(dá)到2X1016/（V·s）。

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圖1、300K 時(shí)GaN、Si、SiC 及GaAs電子漂移速度同電場(chǎng)的關(guān)系?

表2、AlGaN/ GaN 異質(zhì)結(jié)與AlGaAs/ GaAs 異質(zhì)結(jié)關(guān)鍵參數(shù)的比較

2、GaN基微波器件

低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場(chǎng)已經(jīng)使GaN 成為研究和制造微波高功率器件的重要半導(dǎo)體材料。目前，隨著生長技術(shù)的不斷發(fā)展以及薄膜生長關(guān)鍵技術(shù)的突破，多種GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)已被成功地生長出來，包括金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HFET）、調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFET）以及金屬絕緣場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MISFET）等微波器件。

2.1、MESFETs

采用寬禁帶半導(dǎo)體GaN 制作MESFET，具有廣闊的微波功率放大的應(yīng)用前景。人們通常直接利用GaN 具有寬的禁帶及簡(jiǎn)單的制造工藝優(yōu)勢(shì)，采用傳統(tǒng)的MESFETs 基本理論制造GaN MESFETs。

1993 年，Khan 等人[16] 采用低壓MOCVD 方法在藍(lán)寶石襯底上首次制造了GaN MESFET。他們采用薄的AlN 層作為緩沖層以提高GaN 膜的質(zhì)量，用Ti/ Au 作為源漏歐姆接觸，銀作為柵肖特基，分別用H+ 離子注入和離子束腐蝕臺(tái)面，實(shí)現(xiàn)器件的隔離。最終獲得的器件柵長為1μm，在- 1V柵偏壓處的跨導(dǎo)為23mS/ mm。

隨后，S.C.Binari 等人[4] 報(bào)道了具有較好微波性能的GaN MESFETs。與以往不同之處在于，他們采用有機(jī)物金屬汽相外延技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長一個(gè)無意識(shí)摻雜的GaN 外延層，剖面結(jié)構(gòu)如圖2 所示。他們首先在襯底溫度為450℃時(shí)生長40 nm厚的AlN 緩沖層，隨后在1050℃的溫度下在緩沖層上生長了一個(gè)3m厚的無摻雜高電阻GaN 層。圖3 是S.C.Binari 等人所制造的0.7μm柵長器件的電流增益|h21| 和單邊增益U 隨頻率的變化曲線。從圖中可看出，其截止頻率f T 和最大振蕩頻率f max 為8GHz和17GHz。1997 年，S.C.Binari 等人[5]又研制了新型的GaN MESFETs，其源漏間距為5 μm，柵寬為150μm，柵長為0.7~ 2.0 μm。當(dāng)柵長為1.5 μm時(shí)，MESFET 的最大跨導(dǎo)gm 為20mS/mm，最大漏電流IDSI 為120mA/ mm。當(dāng)漏電流為1mA/ mm時(shí)漏偏壓為75V，S.C.Binari 預(yù)測(cè)其微波輸出功率將大于1W/ mm。另外，S.C.Binari 等人還預(yù)測(cè)隨著設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的提高，GaN MESFETs 的f T 將達(dá)到20~ 40 GHz。