GaN基HEMT器件抗逆压电性能研究

可靠性问题是GaN基HEMT器件走向实用化的关键,逆压电效应导致器件退化是近年来比较引人瞩目的理论之一。对于GaN基HEMT器件,当其承受外加电场时,由于逆压电效应,电场最终转化成弹性势能。当电场足够大,突破势垒层材料所能承受的临界弹性势能,势垒层材料就会发生松弛。根据逆压电效应导致器件退化机理,从弹性势能的角度出发,对低Al组分AlGaN势垒层、InAlN势垒层和AlGaN背势垒等三种结构进行理论分析。分析表明,三种结构均能较大程度地改善GaN基HEMT器件的抗逆压电能力,从而提高器件可靠性。     

含有Al组分阶变AlGaN过渡层的Si基AlGaN/GaN HEMT

采用一个AlN缓冲层和两个Al组分阶变的AlGaN过渡层作为中间层,在76.2mm Si衬底上外延生长出1.7μm厚无裂纹AlGaN/GaN异质结材料,利用原子力显微镜、X射线衍射、Hall效应测量和CV测量等手段对材料的结构特性和电学性能进行了表征。材料表面平整光滑,晶体质量和电学性能良好,2DEG面密度为1.12×1013cm-2,迁移率为1 208cm2/(V.s)。由该材料研制的栅长为1μm的AlGaN/GaN HEMT器件,电流增益截止频率fT达到10.4GHz,这些结果表明组分阶变AlGaN过渡层技术可用于实现高性能Si基GaN HEMT。     

毫米波AlGaN / GaN HEMT 交流特性研究

毫米波频段已经成为AlGaN/GaN HEMT研究的一个发展趋势。利用器件仿真软件TCAD,对AlGaN/GaN HEMT交流特性进行了研究。从势垒层的Al组分和厚度两个参数分析了器件特征频率变化趋势。用TCAD仿真得到的AlGaN/GaN HEMT器件本征S参数,在ADS中添加器件的非本征参数,得到器件仿真的频率特性。在器件设计的基础上,进行了器件版图设计和流片,并测量了器件频率特性。测试和仿真结果的对比表明两者较为一致,表明器件仿真的有效性和指导意义。     

具有高击穿电压的AlN背势垒AlGaN/GaN/AlN HEMT材料

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在4英寸(1英寸=2.54 cm)蓝宝石衬底上制备了1.2μm厚的AlN背势垒的AlGaN/GaN/AlN双异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)材料,其AlGaN势垒层表面粗糙度(RMS)、二维电子气(2DEG)迁移率以及HEMT材料的弯曲度都较为接近于常规的高阻GaN背势垒结构的HEMT材料。由于AlN晶格常数较小,具有AlN背势垒的HEMT材料受到了更大的压应力。通过对比分析两种HEMT材料所制备的器件发现,受益于AlN背势垒层更高的禁带宽度和临界电场,由AlN背势垒HEMT材料所制备的器件三端关态击穿电压为常规高阻GaN背势垒HEMT器件的1.5倍,缓冲层漏电流则较常规高阻GaN背势垒HEMT器件低2～3个数量级。     

输出功率密度为2.23W/mm的X波段AlGaN/GaN功率HEMT器件

MOCVD技术在蓝宝石衬底上制备出具有高迁移率GaN沟道层的AlGaN/GaN HEMT材料.高迁移率GaN外延层的室温迁移率达741cm2/(V·s),相应背景电子浓度为1.52×1016cm-3;非有意掺杂高阻GaN缓冲层的室温电阻率超过108Ω·cm,相应的方块电阻超过1012Ω/□.50mm HEMT外延片平均方块电阻为440.9Ω/□,方块电阻均匀性优于96％.用此材料研制出了0.2μm栅长的X波段HEMT功率器件,40μm栅宽的器件跨导达到250mS/mm,特征频率fT为77GHz;0.8mm栅宽的器件电流密度达到1.07A/mm,8GHz时连续波输出功率为1.78W,相应功率密度为2.23W/mm,线性功率增益为13.3dB.     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的可靠性

利用正向肖特基结结电压与温度的线性关系,对AlGaN/GaN HEMT器件有源区瞬态温升进行了测量,其热阻为19.6℃/W。比较了不同测温方法和外界环境对器件沟道温升的影响。并研究了栅极施加反向直流阶梯应力对AlGaN/GaN HEMT器件性能的影响,结果表明器件在应力作用下电学参数退化,大信号寄生源/漏极电阻RS/RD和栅源正向I-V特性在击穿后能得到恢复。AlGaN势垒层陷阱俘获电子和电子填充栅极表面态是器件参数退化的原因,表面态恢复是器件参数恢复的主要原因。     

栅下双异质结增强型AlGaN/GaN HEMT

为获得更高的阈值电压,提出了一种新型栅下双异质结增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT).使用双异质结电荷控制模型分析了基本机理,推导了阈值电压表达式.仿真结果表明,器件阈值电压与调制层Al组分呈线性关系.当调制层Al组分小于势垒层时,阈值电压增大,反之减小.调制层厚度可加大这种调制作用.当调制层Al组分...     

AlGaN/GaN材料HEMT器件优化分析与I-V特性

在考虑AlGaN/GaN异质结中的压电极化和自发极化效应的基础上,自洽求解了垂直于沟道方向的薛定谔方程和泊松方程.通过模拟计算,研究了AlGaN/GaN HEMT器件掺杂层Al的组分、厚度、施主掺杂浓度以及栅偏压对二维电子气特性的影响.用准二维物理模型计算了AlGaN/GaN HEMT器件的输出特性,给出了相应的饱和电压和阈值电压,并对计算结果和AlGaN/GaN HEMT器件的结构优化进行了分析.     

AlN阻挡层对AlGaN/GaN HEMT器件的影响

利用低压MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长了AlGaN/GaN异质结和AlGaN/AlN/GaN异质结二维电子气材料,采用相同器件工艺制造出了AlGaN/GaN HEMT器件和AlGaN/AlN/GaN HEMT器件.通过对两种不同器件的比较和讨论,研究了AlN阻挡层的增加对AlGaN/GaN HEMT器件性能的影响.     

氧等离子体处理对薄势垒增强型AlGaN/GaN HEMT的影响

提出了一种利用薄势垒结构制造增强型AlGaN/GaN HEMT的方法。研究了SiN钝化对薄势垒AlGaN/GaN异质结的影响,并利用其控制沟道中的二维电子气密度。具有10nm SiN介质插入层欧姆接触在800℃下退火可以得到较好的接触性能。栅极区域中的SiN被刻蚀,以耗尽下面的二维电子气,从而使薄势垒AlGaN/GaN HEMT实现增强特性,其阈值电压为50 mV。对介质刻蚀后暴露的AlGaN表面进行氧等离子体处理,与未经处理的器件作对比,发现阈值电压提升到0.5V,栅漏电降低了一个数量级,击穿特性得到改善,但是最大饱和电流密度降低了。     

AlGaN/GaN横向肖特基势垒二极管的仿真与制作

基于GaN横向肖特基势垒二极管(SBD)的频率特性和应用的需要,设计了一种基于AlGaN/GaN异质结的横向SBD.利用Silvaco Atlas软件研究了 AlGaN势垒层的厚度和Al摩尔组分对异质结AlχGaN1-χ/GaN SBD电学性能的影响.仿真结果表明,SBD器件截止频率随Al摩尔组分的增加先增大再减小,当AlχGaN,1-χ层中Al摩尔组分为0.2～0.25,其厚度为20～30nm时,AlGaN/GaN SBD器件的频率特性最好.在仿真的基础上,设计制作出了肖特基接触直径为2 μm的非凹槽和凹槽型AlGaN/GaN横向空气桥SBD.通过直流I-V[测试和射频S参数测试,提取了两种SBD器件的理想因子、串联电阻、结电容、截止频率和品质因子等关键参数,该平面 SBD可应用于片上集成和混合集成的太赫兹电路的设计与制造.     

Comparison of electrical characteristics between AlGaN/GaN and lattice-matched InAlN/GaN heterostructure Schottky barrier diodes

Lattice-matched Pt/Au–In_0.17Al_0.83N/GaN hetreojunction Schottky barrier diodes (SBDs) with circular planar structure have been fabricated. The electrical characteristics of InAlN/GaN SBD, such as two-dimensional electron gas (2DEG) density, turn-on voltage, Schottky barrier height, reverse breakdown voltage and the forward current-transport mechanisms, are investigated and compared with those of a conventional AlGaN/GaN SBD. The results show that, despite the higher Schottky barrier height, more dislocations in InAlN layer causes a larger leakage current and lower reverse breakdown voltage than the AlGaN/GaN SBD. The emission microscopy images of past-breakdown device suggest that a horizontal premature breakdown behavior attributed to the large leakage current happens in the InAlN/GaN SBD, differing from the vertical breakdown in the AlGaN/GaN SBD.     

栅槽刻蚀工艺对增强型GaN HEMT器件性能的影响

基于凹槽栅增强型氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)研究了不同的栅槽刻蚀工艺对GaN器件性能的影响。在栅槽刻蚀方面,采用了一种感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术与高温热氧化湿法刻蚀技术相结合的两步法刻蚀技术,将AlGaN势垒层全部刻蚀掉,制备出了阈值电压超过3 V的增强型Al_2O_3/AlGaN/GaN MIS-HEMT器件。相比于传统的ICP干法刻蚀技术,两步法是一种低损伤的自停止刻蚀技术,易于控制且具有高度可重复性,能够获得更高质量的刻蚀界面,所制备的器件增强型GaN MIS-HEMT器件具有阈值电压回滞小、电流开关比(I_ON/I_OFF)高、栅极泄漏电流小、击穿电压高等特性。     

effect of the parameters of AlN/GaN/AlGaN and AlN/GaN/InAlN heterostructures with a two-dimensional electron gas on their electrical properties and the characteristics of transistors on their basis

The effect of the layer thickness and composition in AlGaN/AlN/GaN and InAlN/AlN/GaN transistor heterostructures with a two-dimensional electron gas on their electrical and the static parameters of test transistors fabricated from such heterostructures are experimentally and theoretically studied. It is shown that the use of an InAlN barrier layer instead of AlGaN results in a more than twofold increase in the carrier concentration in the channel, which leads to a corresponding increase in the saturation current. In situ dielectric-coating deposition on the InAlN/AlN/GaN heterostructure surface during growth process allows an increase in the maximum saturation current and breakdown voltages while retaining high transconductance.     

InAlN/AlN/GaN HEMT器件特性研究

通过利用MOCVD生长的高质量蓝宝石衬底InAlN/AlN/GaN异质结材料,获得了高的二维电子气面密度,其值为1.65×10<'13>cm<'-2>.通过该结构制备了0.15 μm栅长InAlN/AIN/GaN HEMT器件,获得了相关的电学特性:最大电流密度为1.3A/mm,峰值跨导为260mS/ram,电流增益截...     

AlGaN/GaN异质结构中的极化工程

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发,研究了AlGaN/GaN量子阱电子气密度随Al组份比、势垒层厚度和栅压的变化,比较了能带带阶和极化电荷对沟道阱能带和电子气特性的影响,研究了在势垒层和缓冲层中夹入AlN及InGaN薄层的作用,计算了AlGaN/GaN/AlGaN双异质结的能带,最后探讨了势垒层能带的优化设计,提出了剪裁势垒层能带来钝化表面的新方法。     

High Al-content AlGaN/GaN MODFETs for ultrahigh performance

The use of an AlGaN layer with high Al mole-fraction is proposed to increase the equivalent figures of merit of the AlGaN/GaN MODFET structure. It is shown that the room temperature mobility has little degradation with increasing Al mole-fraction up to 50%. 0.7-μm gate-length Al_0.5Ga_0.5N/GaN MODFETs by optical lithography exhibit a current density of 1 A/mm and three-terminal breakdown voltages up to 200 V. These devices on sapphire substrates without thermal management also show CW power densities of 2.84 and 2.57 W/mm at 8 and 10 GHz, respectively, representing a marked performance improvement for GaN-based FETs     

影响AlGaN/GaN HFET器件二维电子气的若干因素

基于Sentaurus Workbench(SWB)TCAD可制造性设计平台进行AlGaN/GaN器件的结构设计和仿真,并对影响二维电子气的重要参数因素进行了研究及优化,诸如AlGaN势垒层中Al组分x、AlGaN势垒层厚度h、应变弛豫度r和栅偏压Vg等因素。参数相关性的制约结果,无疑会反映在对器件物理特性的制约及影响上。研究结果表明,在一定条件下增大势垒层中Al组分和势垒层厚度可以提高器件的电流传输特性。然而随着二者的不断增大将会引起应变弛豫的发生,而应变弛豫的发生会降低器件的性能。     

An Al0.3Ga0.7N/GaN undoped channelheterostructure field effect transistor with Fmax of 107 GHz

An Al_0.3Ga_0.7N/GaN heterostructure field effect transistor (HFET) grown on semi-insulating SiC with an 0.2-μm gate length is reported. A source-drain ohmic contact resistance of 0.15-Ω-mm was achieved through the use of high Al content and high n-type doping (1E19 cm^-3) in the AlGaN donor layer and optimized metallization procedures. We obtained a maximum transconductance of 260 mS/mm, a saturated current density of 1.2 A/mm, and a maximum oscillation frequency in excess of 107 GHz in the devices. The results are one of the best achieved up to now, and they will open up the potential for the applications of AlGaN/GaN HFET's in high-power microwave radar, remote sensing, and communications