第1 章　緒　　論

半導(dǎo)體科技是二十世紀(jì)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(jì)。半導(dǎo)體科技之所以如此重要，是因?yàn)樗�支撐了整個(gè)人類

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

體材料一直在半導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(dǎo)體硅（Si）材

料（室溫禁帶寬度為1.12 eV）超越Ge 材料成為半導(dǎo)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(shù)的主要半導(dǎo)體材料，無論集成電路還是太陽能電池，

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

要是因?yàn)樗鼈兊陌l(fā)展歷史較長。第二代半導(dǎo)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(jì)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(shí)現(xiàn)

產(chǎn)品化。二十世紀(jì)末，第三代半導(dǎo)體（寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)管器件還具有噪聲低、效率高和線性度好的特點(diǎn)。但相比于第三代半

導(dǎo)體GaN 和SiC 來講，GaAs 材料的熱導(dǎo)率和擊穿場強(qiáng)不高，因此其功率特性受到了

一定的限制。二十世紀(jì)八十年代初，GaAs 金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)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(dá)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(jì)九十年代初，采用Si3 N4 作為絕緣柵的InP 金屬絕緣體半導(dǎo)體場效應(yīng)

管（ MISFET）獲得了創(chuàng)紀(jì)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(dǎo)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(shí)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(qiáng)度與電子飽和速度，

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

或更高時(shí)，InP 材料的優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)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(dá)等應(yīng)用對高頻

率、寬帶寬、高效率、大功率器件的需要，從二

十世紀(jì)九十年代初開始，化合物半導(dǎo)體電子器

件的研究重心開始轉(zhuǎn)向?qū)捊麕О雽?dǎo)體器件［6］ 。

一般將禁帶寬度大于2 eV 的半導(dǎo)體稱為寬禁

帶半導(dǎo)體。如表1.1 所示，Baliga 優(yōu)值是表征

半導(dǎo)體材料高頻大功率應(yīng)用潛力的常用指

標(biāo)［7］，可見由于寬禁帶半導(dǎo)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(qiáng)、高電子飽和速度等，十分適合微波/毫米波大功率器件的應(yīng)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(nèi)，所以SiC MESFET 器件適合在7 GHz 以下的頻率范圍內(nèi)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(dǎo)

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(dǎo)體。

GaN 電子器件主要以GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)HEM T 為主，在AlGaN/GaN 、InAlN/GaN 等

氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(yīng)用。而且GaN HEM T 結(jié)構(gòu)可以

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

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(jīng)被認(rèn)為是當(dāng)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(yīng)用外，其禁帶寬度范圍可完全覆蓋

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

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

料制備技術(shù)的進(jìn)展。就III 族氮化物半導(dǎo)體材料中技術(shù)水平最成熟的GaN 而言，其

晶體熔點(diǎn)高達(dá)2300 ℃，但其分解點(diǎn)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(zhì)外延薄膜兩種制備方法中，薄膜異質(zhì)外

延技術(shù)首先取得了突破。依靠金屬有機(jī)物化學(xué)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(zhì)量GaN 外延薄膜材料。在二十世紀(jì)

九十年代GaN 藍(lán)光LED 技術(shù)迅速走向產(chǎn)業(yè)化時(shí)，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(jīng)過MESFET 和異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管

（ HFET）等各種器件結(jié)構(gòu)的嘗試，基于AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的HFET 迅速成為

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

雜的AlGaN/GaN 、InAlN/GaN 等異質(zhì)結(jié)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(dǎo)電特性結(jié)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(diǎn)。1993 年第一個(gè)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(gè)器件在柵寬達(dá)48 mm 時(shí)，實(shí)現(xiàn)了輸

出總功率230 W @ 2 GHz［12］ 。

氮化物電子器件能夠?qū)崿F(xiàn)這樣快速的進(jìn)展，首先是由于AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)電

子材料的質(zhì)量和HEM T 器件的工藝技術(shù)水平不斷提高；其次，為了實(shí)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(zhì)膜，來抑制與材

料陷阱相關(guān)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(zhì)結(jié)材料外延

技術(shù)和器件工藝技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)展進(jìn)步，出現(xiàn)了諸如在

AlGaN/GaN 異質(zhì)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(jié)構(gòu)的優(yōu)

化，如引入槽柵、場板結(jié)構(gòu)等。這些材料與器件結(jié)構(gòu)、工藝的進(jìn)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(biāo)也在逐步提高，2011 年已報(bào)道截止頻率達(dá)到343 GHz［13］ 和W 波段輸出功

率密度達(dá)到1.7 W/mm @ 95 GHz［ 14］ 。在此過程中，為了實(shí)現(xiàn)氮化物技術(shù)與Si 技術(shù)

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(jìn)了GaN 增強(qiáng)型HEM T 和增強(qiáng)/耗盡型HEM T 電路單元的發(fā)展。減小柵極

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

發(fā)展。利用與GaN 實(shí)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(zhì)結(jié)構(gòu)，近幾年實(shí)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(chǎn)品。

不過產(chǎn)品的性能遠(yuǎn)沒有發(fā)揮GaN HEM T 的潛力，也遠(yuǎn)低于同期實(shí)驗(yàn)室的研究水

平，這是因?yàn)镚aN 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(dǎo)體

GaAs 、InP 及其異質(zhì)結(jié)在材料和器件物理以及制備工藝方面的研究經(jīng)驗(yàn)，因此市場

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

并走向商業(yè)化，但大量基礎(chǔ)性的科學(xué)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(shù)發(fā)展、技術(shù)超前于基礎(chǔ)研究的局面。氮化物半導(dǎo)體電子器件領(lǐng)

域仍有若干基礎(chǔ)科學(xué)問題尚未解決。相比于成熟的Si 和GaAs 器件，氮化物半導(dǎo)

體面臨的主要難題包括：異質(zhì)外延導(dǎo)致的氮化物材料缺陷密度高，強(qiáng)極化效應(yīng)與表

面態(tài)的控制，高工作電壓導(dǎo)致的器件漏電大、可靠性差等問題。在未來很長時(shí)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(jié)構(gòu)與優(yōu)化、層結(jié)構(gòu)的極化機(jī)理與極化應(yīng)用

（極化工程），器件柵結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)型器件的實(shí)現(xiàn)等。

我國在氮化物半導(dǎo)體材料和電子器件方面的研究開始于二十世紀(jì)九十年代末

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

MIS -HEM T 器件、增強(qiáng)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(xiàng)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(nèi)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(jìn)入工程應(yīng)用階段。隨著基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用的深入，我國氮化物半導(dǎo)

體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度將進(jìn)一步加快。

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第2 章　III 族氮化物半導(dǎo)體材料的性質(zhì)

III 族氮化物半導(dǎo)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(jié)構(gòu)以異質(zhì)結(jié)為主，所以本章主要介紹與異質(zhì)結(jié)材料研究關(guān)系密切的晶體結(jié)

構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、電子輸運(yùn)、極化效應(yīng)等性質(zhì)，并介紹材料性質(zhì)測試分析的部分手段和

方法。

2.1 　III 族氮化物的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)

2.1.1 　GaN 、AlN 和InN

氮化物半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，以GaN 為例，如圖2.1 所示［1］ 。

晶體結(jié)構(gòu)的形成主要由晶體的離子性決定。在化合物半導(dǎo)體晶體中，原子間的

化學(xué)鍵既有共價(jià)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(qiáng)，越

容易形成纖鋅礦結(jié)構(gòu)。氮化物半導(dǎo)體晶體都是強(qiáng)離子性晶體，因此在室溫和大氣壓

下，纖鋅礦結(jié)構(gòu)是氮化物半導(dǎo)體最常見結(jié)構(gòu)，也是熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，而閃鋅礦結(jié)構(gòu)則

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

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