GaN基增强型HEMT器件的研究进展

随着电力转换系统功率密度和工作频率的不断提高,需要开发性能优于传统半导体的功率器件。作为第三代半导体材料的典型代表,氮化镓（GaN）被认为是提高大功率电力系统转换效率的新一代功率器件的主要候选材料。在操作类型方面,增强型（也称为常关型）器件具有安全、能简化电路设计以及更优的电路拓扑设计等优势,在行业应用中更具吸引力。总结并对比了目前国际上主流的GaN基增强型器件的结构和制备工艺,着重介绍了基于栅凹槽结构的功率器件技术,特别是栅槽刻蚀后的界面处理、栅介质层的优化技术。围绕器件的关键指标,总结了材料外延结构、欧姆接触、场板以及钝化工艺对器件性能的影响,提出了未来可能的技术方案。     

GaN基HEMT器件的优化设计

针对氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件自热效应以及电流崩塌效应导致器件性能退化和失效的问题,研究了通过合理改变器件参数尺寸优化GaN基HEMT器件的设计,提高器件性能。通过仿真软件模拟了器件各参数对于GaN器件电学性能的影响,分析了不同衬底构成对GaN HEMT器件自热效应的影响,系统研究了GaN HEMT器件相关参数改变对自热效应及器件电学性能的影响。结果表明:Si及金刚石组成的衬底中减小Si层的厚度有利于减小器件的自热效应,降低有源区最高温度。为提高器件性能以及进一步优化GaN基HEMT器件设计提供了一定的理论参考。     

GaN HEMT器件封装技术研究进展

GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件由于其宽禁带材料的独特性能,相比硅功率器件具有击穿场强高、导通电阻低、转换速度快等优势,在智能家电、交直流转换器、光伏逆变器以及电动汽车等领域有着广泛的应用前景.但GaN HEMT器件的高功率密度和高频工作特性,给器件封装带来了极大挑战,要使其出色性能得以充分发挥,其封装结构、材...     

AlGaN/GaN HEMT器件工艺的研究进展

首先论述了Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在微波大功率领域的应用优势和潜力;其次,介绍并分析了影响Al GaN/GaN HEMT性能的主要参数,分析表明要提高Al-GaN/GaN HEMT的频率和功率性能,需改善寄生电阻、电容、栅长和击穿电压等参数。然后,着重从材料结构和器件工艺的角度阐述了近年来Al GaN/GaN HEMT的研究进展,详细归纳了目前主要的材料生长和器件制作工艺,可以看出基本的工艺思路是尽量提高材料二维电子气的浓度和材料对二维电子气的限制能力的同时减小器件的寄生电容和电阻,增强栅极对沟道的控制能力。另外,根据具体情况调节栅长及沟道电场。最后,简要探讨了Al GaN/GaN HEMT还存在的问题以及面临的挑战。     

InAlGaN超薄势垒层结构高频GaN HEMT器件

提出了一种基于SiC衬底的高性能InAlGaN/AlN/GaN HEMT器件。采用电子束技术实现栅长为80nm的高深宽比(栅脚高度与栅长的比值)T型栅结构。测试结果表明,超薄势垒层结构对于器件短沟道效应具有较好的抑制作用,在Ids=1mA/mm时器件的DIBL=165mV/V,栅压为2V时饱和电流密度达到1.81A/mm,器件峰值跨导达到0.68S/mm。此外,器件还显示出优异的微波性能,电流增益截止频率f_T=238GHz,功率增益截止频率f_(max)=298GHz,有效载流子速度1.2×10~7 cm/s。报道的高频率性能显示出新型势垒层结构在高频短沟道器件领域的独特优势和深厚潜力。     

毫米波GaN HEMT器件大信号模型

介绍了一种毫米波GaN基HEMT器件大信号等效电路模型。该模型采用SDD的建模方法。提出了I-V及C-V表达式,完成了直流及S参数的拟合,并分析了拟合结果。与18GHz的在片loadpull测试结果比较,模型仿真结果显示输出功率及效率与实测数据基本一致。     

一种改进EE_HEMT电容方程的GaN HEMT器件模型

在传统的EE_HEMT模型基础上,通过修改电容方程,得到一个新的可适用于GaN HEMT器件的模型。新电容模型主要通过tanh函数拟合和的变化趋势。在ICCAP软件中,完成新模型参数的提取;在ADS软件中,完成S参数仿真和负载牵引仿真,并与实测结果进行了对比,最大功率点性能拟合效果得到改善。文中描述的新模型,可在一定程度上提高GaN HEMT模型仿真精度。     

5 W Si衬底GaN基HEMT研究

介绍了Si衬底上外延生长GaN基HEMT的制备及其直流特性与微波特性的研究结果:栅宽200 μm器件Vgs=0 V时饱和电流密度达0.975 A/mm,最大跨导240 mS/mm,夹断电压-4.5 V,栅漏击穿电压80 V;栅宽1 mm器件,在频率2 GHz下,工作电压Vds=25 V时,连续波输出功率为5.0 W,功率增益为9 dB,功率附加效率为35%.     

GaN基HEMT器件的优化设计北大核心CSCD

针对氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件自热效应以及电流崩塌效应导致器件性能退化和失效的问题,研究了通过合理改变器件参数尺寸优化GaN基HEMT器件的设计,提高器件性能。通过仿真软件模拟了器件各参数对于GaN器件电学性能的影响,分析了不同衬底构成对GaN HEMT器件自热效应的影响,系统研究了GaN HEMT器件相关参数改变对自热效应及器件电学性能的影响。结果表明:Si及金刚石组成的衬底中减小Si层的厚度有利于减小器件的自热效应,降低有源区最高温度。为提高器件性能以及进一步优化GaN基HEMT器件设计提供了一定的理论参考。     

双平面掺杂和单平面掺杂PHEMT器件的性能比较

研制了Al0.24Ga0.76As/In0.22Ga0.78As单平面掺杂PHEMT器件(SH-PHEMT)和双平面掺杂PHEMT器件(DH-PHEMT),并对其特性进行了比较.由于采用了双异质结、双平面掺杂的设计,DH-PHEMT能将载流子更好地限制在沟道中,得到更大的二维电子气浓度和更均匀的二维电子气分布,这些都有利于提高器件的性能.因此,DH-PHEMT器件具有更好的线性度,在较大的栅压范围内具有高的跨导和更大的电流驱动能力.这说明DH-PHEMT器件更加适用于高线性度应用的微波功率器件.     

双平面掺杂和单平面掺杂PHEMT器件的性能比较

研制了Al0 .2 4 Ga0 .76 As/ In0 .2 2 Ga0 .78As单平面掺杂PHEMT器件(SH - PHEMT)和双平面掺杂PHEMT器件(DH- PHEMT) ,并对其特性进行了比较.由于采用了双异质结、双平面掺杂的设计,DH- PHEMT能将载流子更好地限制在沟道中,得到更大的二维电子气浓度和更均匀的二维电子气分布,这些都有利于提高器件的性能.因此,DH- PHEMT器件具有更好的线性度,在较大的栅压范围内具有高的跨导和更大的电流驱动能力.这说明DH-PHEMT器件更加适用于高线性度应用的微波功率器件.     

毫米波GaN基HEMT器件材料结构发展的研究

由于GaN材料的高的饱和电子速度和击穿场强,GaN基HEMT已经成为实现毫米波器件的重要选择。回顾了GaN基HEMT器件材料结构的发展历程,就目前GaN基毫米波HEMT器件设计应用存在的短沟道效应和源漏间较大的导通电阻两个主要问题进行了机理分析,并对GaN基HEMT器件的毫米波应用未来发展方向进行了分析。同时从GaN基HEMT器件材料结构设计入手对解决方案进行了探讨性研究。针对面向毫米波应用的GaN基HEMT材料结构,为有效的抑制短沟道效应,可以采用栅凹槽结构加背势垒结构、采用InAlN等新材料,可以有效降低源漏导通电阻。     

一种紧凑的GaN高电子迁移率晶体管大信号模型拓扑

GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）以其复杂的器件特性使其大信号建模变得十分困难,尽管EEHEMT、Angelov等模型结构曾经成功应用于GaAs HEMT/MESFET的大信号模型,但当它们被用于GaN HEMT建模时却不再准确和完备.面向GaN HEMT器件的大信号模型,本文提出了一种紧凑的模型拓扑,此模型拓扑综合了GaN HEMT器件的直流电压-电流（I-V）特性、非线性电容、寄生参数、栅延迟漏延迟与电流崩塌、自热效应以及噪声等特性.经验证此模型拓扑在仿真中具有很好的收敛性,适用于GaN HEMT器件的大信号模型的建立,满足GaN基微波电路设计对器件模型的需求.     

GaAs基改性高电子迁移率晶体管(MHEMT)的计算机模拟与优化

讨论了针对GaAs基改性高电子迁移率晶体管(MHEMT)的异质层结构参数的设计优化方法,详细给出了有关的设计步骤与公式。在数值分析与比较的基础上,并综合考虑材料生长与器件工艺的简便性,得到一组优化的MHEMT异质层结构设计参数。模拟所得的器件DC与RF特性充分显示其在功率与低噪声应用上的巨大潜力。验证性的1μm×200μmMHEMT取得的fT=30GHz、fmax=170GHz的结果佐证了理论分析的正确性。     

Improved Long-Term Thermal Stability At 350°C Of TiB2–Based Ohmic Contacts On AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors

AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs) were fabricated with Ti/Al/TiB₂/Ti/Au source/drain Ohmic contacts and a variety of gate metal schemes (Pt/Au, Ni/Au, Pt/TiB₂/Au or Ni/TiB₂/Au) and subjected to long-term annealing at 350°C. By comparison with companion devices with conventional Ti/Al/Pt/Au Ohmic contacts and Pt/Au gate contacts, the HEMTs with boride-based Ohmic metal and either Pt/Au, Ni/Au or Ni/TiB₂/Au gate metal showed superior stability of both source-drain current and transconductance after 25 days aging at 350°C.     

Thionation Enhances the Electron Mobility of Perylene Diimide for High Performance n‐Channel Organic Field Effect Transistors

Perylene diimides (PDIs) are one of the most widely studied n‐type materials, showing great promise as electron acceptors in organic photovoltaic devices and as electron transport materials in n‐channel organic field effect transistors. Amongst the well‐established chemical modification strategies for increasing the electron mobility of PDI, substitution of the imide oxygen atoms with sulfur, known as thionation, has remained largely unexplored. In this work, it is demonstrated that thionation is a highly effective means of enhancing the electron mobility of a bis‐N‐alkylated PDI derivative. Successive oxygen–sulfur substitution increases the electron mobility such that the fully thionated derivative ( S4 ) has an average mobility of 0.16 cm² V^?1 s^?1. This is two orders of magnitude larger than the nonthionated parent compound ( P ), and is achieved by solution deposition and without thermal or solvent vapor annealing. A combination of atomic force microscopy and 2D wide angle X‐ray scattering experiments, together with theoretical modeling of charge transport efficiency, is used to explain the strong positive correlation observed between electron mobility and degree of thionation. This work establishes thionation as a highly effective means of enhancing the electron mobility of PDI, and provides motivation for the development of thionated PDI derivatives for organic electronics applications.     

标准氟离子注入实现增强型GaN基功率器件

介绍了一种直接利用离子注入机对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的栅下进行氟(F)离子注入的方法,成功实现了增强型HEMT器件,阈值电压从耗尽型器件的-2.6V移动到增强型器件的+1.9V.研究了注入剂量对器件性能的影响,研究发现随着注入剂量的不断增加,阈值电压不断地正向移动,但由于存在高能F离子的注入损伤,器件的正向栅极漏电随着注入剂量的增加而不断上升,阈值电压正向移动也趋于饱和.因此,提出采用在AlGaN/GaN异质结表面沉积栅介质充当能量吸收层,降低离子注入过程中的损伤,成功实现了阈值电压为+3.3 V,饱和电流密度约为200 mA/mm,同时具有一个较高的开关比109的增强型金属-绝缘层-半导体HEMT (MIS-HEMT)器件.     

InP基RTD/HEMT集成的几个关键工艺研究

用MBE设备在半绝缘的InP衬底上依次生长高电子迁移率晶体管(HEMT)外延材料和共振遂穿二极管(RTD)外延材料,在此材料结构基础上研究和分析了RTD与HEMT器件单片集成工艺中的隔离工艺、欧姆接触工艺、HEMT栅挖槽工艺和空气桥工艺等几步关键工艺,给出了这些工艺的相关参数。利用上述工艺成功地制作了RTD和HEMT器件,并在室温下分别测试了RTD器件和HEMT器件的电学特性。测试表明:在室温下,RTD器件的峰电流密度与谷电流密度之比(PVCR)为3.66;HEMT器件的最大跨导约为370 mS/mm,在Vds=1.5 V时的饱和电流约为391 mA/mm。这将为RTD与HEMT的单片集成研究奠定工艺基础。     

RTD与PHEMT集成的几个关键工艺

在新型的共振隧穿二极管(RTD)器件与PHEMT器件单片集成材料结构上，研究和分析了分立器件的制作工艺，给出了分立器件的制作工艺参数．利用上述工艺成功制作了RTD和PHEMT器件，并在室温下分别测试了RTD器件和PHEMT器件的电学特性．测试表明：在室温下，RTD器件的峰电流密度与谷电流密度之比提高到1.78;PHEMT器件的最大跨导约为120mS/mm,在Vgs＝0.5V时的饱和电流约为270mA/mm．这将为RTD集成电路的研制奠定工艺基础．