文档介绍：项目名称:
超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究
首席科学家:
刘新宇中国科学院微电子研究所
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
中国科学院
一、研究内容
(一)拟解决的关键科学问题
在信息社会,人们对信息大容量传输和高速处理、获取的提出越来越高的要求,使得微电子科学与技术面临许多严峻的挑战。如何充分发挥化合物半导体器件在超高频、大功率方面的优势,从而实现微电子器件和集成电路从吉赫兹到太赫兹的跨越,解决信息大容量传输和高速处理、获取的难题,在材料、器件和集成技术等方面急需解决以下所涉及的共性关键科学问题:
化合物半导体材料原子级调控与生长动力学
化合物半导体材料与Si材料最大的区别在于化合物半导体是由二元、三元、四元系材料组成。结构材料是借助先进的分子束外延(MBE)和金属有机化学气象沉积(MOCVD)设备来实现的,原子级调控是利用不同种类的原子在外延过程中的结合能、迁移率等的不同,借助高温衬底提供的激活能,控制原子占据不同的晶格位置,在表面上迁移并结晶的动力学过程,使外延材料呈现出多样的晶体结构和物理特性,如不同原子层形成异质结构产生量子限制效应、不同大小原子构成应变材料产生应变效应、极化效应和局域化效应等。充分利用上述效应可有效地改变材料的能带结构,是实现高性能超高频InP基和大功率GaN基结构材料的基础。如在传统AlGaN/GaN HEMT材料异质结界面插入2~3个原子层厚的AlN势垒层和InGaN背势垒层,可以改变材料的能带结构,更好地限制二维电子气,并显著降低对载流子的合金散射,提高材料中二维电子气的输运特性。在InP衬底上利用四元合金InGaAsSb材料引入双轴应力提高空穴迁移率, 实现InP基p-MOS结构。由此可见,充分利用化合物半导体材料原子级调控与生长动力学是实现新材料、新结构设计的关键和基础。
因此,充分研究和深入认识化合物半导体原子级调控和生长动力学是本项目需要解决的共性关键科学问题之一。本项目将深入研究InP基、GaN基材料原子的排列导致能带结构的变化,利用量子效应、应变效应引入双轴应力,减小载流子的有效质量;利用极化效应和局域化效应优化能带设计,提高二维电子气浓度
、迁移率和限域特性,为实现超高频、太赫兹和毫米波大功率器件的材料结构设计提供理论指导;深入开展InP基、GaN基材料结构与器件宏观性能的关联性研究,通过材料结构设计提高二维电子气浓度和迁移率、减少InP DHBT导带尖峰、抑制GaN HEMT电流崩塌和短沟道效应,提高器件的性能;深入研究化合物半导体表面再构形成的机理,考虑半导体的表面对生长过程中原子的运动、结合机制影响,建立热力学模型,形成完善生长理论,解决同质和异质界面生长的动力学问题;深入研究应力场中原子运动和结合机制,掌握缺陷的形成、增殖和运动机制,解决大失配异质结构的生长、以及应力场中的高掺杂问题。
该科学问题是形成高质量化合物半导体材料结构的理论基础和依据。
(2)超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律
化合物半导体器件由于材料自身特性,如电子迁移率高、二维电子气浓度高、击穿场强高、饱和漂移速度大等特点,非常适合于超高频、大功率器件和电路的研究,特别是在利用化合物半导体实现超高频CMOS器件、InP基实现太赫兹器件、GaN基实现毫米波大功率等方面极具潜力。但随着器件频率从吉赫兹跨越到太赫兹,器件特征尺寸(FET器件沟道尺寸、HBT器件纵向结构尺寸)缩小到纳米尺度后,器件短沟道效应、量子效应、强场效应的影响日趋严重,严重地制约器件性能的提高,如在HMET器件中,沟道中的电场不断增加,强场下器件短沟道效应、量子隧穿效应恶化器件性能,而载流子微观统计引起的涨落等量子效应现象对器件性能的影响有待于进一步深入研究;在HBT器件中,随电流密度的提高,可动载流子会对集电极的电场产生屏蔽作用,使载流子的运动速度降低,使高频特性在高电流下退化;这些宏观特性与化合物半导体器件在超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律密切相关。
因此,如何充分理解和挖掘器件在超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律是本项目需要解决的共性关键科学问题之二。在超高频、超强场、纳米尺度下,主导器件工作的基本原理将逐渐由经典物理过渡到量子力学。本项目将深入研究纳米尺度下化合物半导体器件非平衡载流子输运理论,理解影响超高频器件速度的关键因素究竟是载流子的饱和速度还是速度过冲以及制约载流子输运速度的因素是什么,这一问题的解决将为太赫兹新器件提供理论指导和依据,使新器件的创新乃至突破有据可依;深入研究异质结构量子隧穿效应、载流子的弹道输运及微观统计引起的涨落等现象,采用Monte Carlo等模拟方法研究纳米尺度、飞秒量级下载流