增强型AlGaN/GaN HEMT器件工艺的研究进展

随着高压开关和高速射频电路的发展,增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)成为该领域内的研究热点。增强型GaN基HEMT只有在加正栅压才有工作电流,可以大大拓展该器件在低功耗数字电路中的应用。近年来,国内外对增强型GaN基HEMT阈值电压的研究主要集中以下两个方面:在材料生长方面,通过生长薄势垒、降低Al组分、生长无极化电荷的AlGaN/GaN异质材料、生长InGaN或p-GaN盖帽层,来控制二维电子气浓度;在器件工艺方面,采用高功函数金属、MIS结构、刻蚀凹栅、F基等离子体处理,来控制表面电势,影响二维电子气浓度。从影响器件阈值电压的相关因素出发,探讨了实现和优化增强型GaN基HEMT的各种工艺方法和发展方向。     

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.     

增强型AlGaN/GaN/AlGaN双异质结槽栅HEMT研究

为了在获得高击穿电压的同时实现增强型器件,对AlGaN/GaN/AlGaN双异质结HEMT进行了栅槽刻蚀,得到阈值电压为0.6 V的增强型HEMT。对器件特性的变化机理进行了分析,发现刻蚀引入的陷阱态使器件的击穿性能降低。采用变频电导法,定量研究了反应离子刻蚀在AlGaN/GaN/AlGaN双异质结HEMT中引入的陷阱态。研究表明,刻蚀工艺在双异质结HEMT中引入了大量的浅能级陷阱,这些陷阱的能级主要分布在0.36~0.40 eV。     

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。     

AlGaN/GaN HEMT低温直流特性研究

研究了20℃～-70℃栅宽为100μm、栅长为1μm的AlGaN/GaN HEMT的直流特性.随温度降低，电子迁移率增大，而二维电子气密度基本不变，HEMT饱和漏电流IDsat增大;阈值电压低温时有所下降，在一定温度范围内变化不明显，其原因除栅肖特基势垒高度、AlGaN/GaN导带差发生变化外，还可能与器件制备工艺和源极串联电阻有关。     

氧等离子体对GaNHEMT器件的影响

研究了不同条件下氧等离子体对GaN器件表面的影响。在合适的条件下,氧等离子体可以使AlGaN表面发生氧化,形成Al2O3薄氧化膜,提高肖特基势垒,从而降低GaN器件的阈值电压,提高器件导通电流。该结果可望用于更高性能AlGaN/GaN HEMT器件制备的应用中。     

蒸栅前退火与AlGaN/GaN HEMT噪声性能关系的研究

为进一步提高AlGaN/GaN HEMT的噪声性能,如何才能降低其相对较高的栅漏电是较为棘手的问题之一。作者通过实验证明了可降低其噪声的器件制作过程中的一项工艺步骤。两个AlGaN/GaN样片在刻蚀栅槽后被分别不同处理,一个蒸发栅金属前退火,另一个直接蒸发栅金属。比较二者的Ig－Vgd直流特性曲线,可发现蒸栅前进行退火处理可大大降低栅漏电。数据分析表明：退火可提高肖特基势垒;刻蚀过程中的等离子体可引发损伤,退火导致的损伤消除是栅漏电减小的主要原因。作者引用了一个噪声模型来证明蒸栅前退火确实可以有效地提高AlGaN/GaN HEMT的噪声性能。     

非掺杂AlGaN/GaN微波功率HEMT

报道了研制的AlGaN/GaN微波功率HEMT,该器件采用以蓝宝石为衬底的非掺杂AlGaN/GaN异质结构,器件工艺采用了Ti/Al/Ni/Au欧姆接触和Ni/Au肖特基势垒接触以及SiN介质进行器件的钝化.研制的200μm栅宽T型布局AlGaN/GaN HEMT在1.8GHz,Vds=30V时输出功率为28.93dBm,输出功率密度达到3.9W/mm,功率增益为15.59dB,功率附加效率(PAE)为48.3%.在6.2GHz,Vds=25V时该器件输出功率为27.06dBm,输出功率密度为2.5W/mm,功率增益为10.24dB,PAE为35.2%.     

AlGaN/GaN HEMT电容及充电时间的研究

通过计算AlGaN/GaN HEMT二维电子气中的电势、载流子以及调制掺杂载流子寿命,得到AlGaN/GaN HEMT电容和充电时间,研究了AlGaN掺杂层浓度和厚度对器件的时间响应分析了AlGaN/GaN HEMT器件的高频特性。结果表明,栅电容随着AlGaN掺杂层浓度和厚度的增加逐渐减小。随着AlGaN层掺杂浓度的增大,电容充电时间先减后增,当掺杂浓度达到 时,电容充电时间达到极小值,在AlGaN掺杂层厚度等于7nm时电容充电时间最短。     

采用ALD Al2O3作为栅介质的薄势垒增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT

本文报道了高性能的增强型（E-mode）氮化镓（GaN）基金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMT）,该器件势垒层为5-nm厚的铝镓氮（Al0.3Ga0.7N）,并采用氮化硅（SiN）钝化来控制二维电子气（2DEG）密度。与SiN钝化不同,采用原子层淀积（ALD）技术生长的氧化铝（Al2O3）不会增强异质结中的2DEG密度。刻蚀栅区的SiN介质可以耗尽沟道电子,之后采用ALD Al2O3作为栅介质,可以实现MIS结构。栅长为1 μm的E-mode MIS-HEMT具有657mA/mm的最大饱和电流（IDS）、187mS/mm的最大跨导（gm）和1V的阈值电压（Vth）。与相应的E-mode HEMT对比,由于Al2O3栅介质的引入,使器件的性能得到了很大的提升。本文对于同时实现高的Vth和IDS提供了很好的方法。