G波段AlN/GaN HEMT外延材料

<正>南京电子器件研究所基于MOCVD平台,在100 mm SiC半绝缘衬底上,提出恒压式气流吹扫和台阶式流场调控技术分别应用于生长AlN/GaN异质结界面和AlN势垒层,显著改善了AlN/GaN异质结界面不清晰、Al原子表面扩散长度偏低的外延难题,研制出高性能AlN/GaN HEMT外延材料。图1为AFM 5μm×5μm范围下的表面形貌,势垒层表面平整,原子台阶明显,RMS=0.3 nm,且无明显缺陷。图2为     

带有原位生长SiNx绝缘层的AlN/GaN毫米波高效率MIS-HEMT器件(英文)

本文采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长原位SiNx栅介质制备了用于Ka波段高功率毫米波应用的AlN/GaN金属绝缘体半导体高电子迁移率晶体管(MIS-HEMTs)。原位生长SiN_x栅介质显著抑制了栅反向漏电、栅介质/AlN界面态密度和电流坍塌。所研制的MIS HEMTs在V_GS=2 V时最大饱和输出电流为2.2 A/mm,峰值跨导为509 m S/mm,在V_GS=-30 V时肖特基栅漏电流为4.7×10^-6 A/mm。采用0.15μm T形栅技术,获得98 GHz的f_T和165 GHz的f_MAX。大信号测量表明,在连续波模式下,漏极电压V_DS=8 V时,MIS HEMT在40 GHz下输出功率密度2.3 W/mm,45.2%的功率附加效率(PAE),而当V_DS增加到15 V时,功率密度提升到5.2 W/mm,PAE为42.2%。     

基于100mm国产SiC衬底高性能AlGaN/GaN异质结外延材料

南京电子器件研究所提出了一种"AlN表面原位图形化"技术,将AlN成核岛台阶化(图1),改善GaN缓冲层的外延生长模式,抑制GaN/AlN界面位错的生成以及纵向延伸,从而降低GaN缓冲层的穿透位错密度。另外,原位制备工艺容易实现,避免杂质引入,降低外延成本。采用该技术在100 mm国产高纯半绝缘SiC衬底上制备出1.8 μm厚高质量GaN HEMT外延材料,GaN缓冲层(002)和(102)面摇摆曲线半高宽分别达到56、147 arcsec(图2),与常规工艺相比位错密度降低80%,二维电子气室温迁移率达到2 300 cm^2/(V·s),材料结晶质量和电学特性获得显著提升。     

插入δAl/AlN缓冲层在Si(111)上生长GaN

采用MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)生长方法,对比在AlN层上加入δAl/AlN缓冲层和不加入δAl/AlN缓冲层两种生长结构,在Si(111)衬底上生长GaN.实验结果表明,在加入δAl/AlN缓冲层后,GaN外延层的裂纹密度得到了有效的降低,晶体质量也得到了明显的提高.通过MOCVD生长方法,利用光学显微镜、XRD和Raman等分析测试手段,研究了δAl/AlN缓冲层对GaN外延层的影响,获得了裂纹密度小、晶体质量高的GaN材料.     

插入δAl/AlN缓冲层在Si(111)上生长GaN

采用MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)生长方法,对比在AlN层上加入δAl/AlN缓冲层和不加入δAl/AlN缓冲层两种生长结构,在Si(111)衬底上生长GaN.实验结果表明,在加入δAl/AlN缓冲层后,GaN外延层的裂纹密度得到了有效的降低,晶体质量也得到了明显的提高.通过MOCVD生长方法,利用光学显微镜、XRD和Raman等分析测试手段,研究了δAl/AlN缓冲层对GaN外延层的影响,获得了裂纹密度小、晶体质量高的GaN材料.     

InAlN/AlN/GaN HEMT电学特性仿真与分析

研究了一种新型GaN基HEMT结构,即InAlN/AlN/GaN异质结层结构,并对其直流特性以及频率特性进行了仿真。通过理论分析,结合TCAD软件,与常规AlGaN/AlN/GaNHEMT进行对比。对栅长为1μm的器件进行仿真,结果表明,器件的最大跨导为450mS/mm,最大电流密度为2A/mm,电流增益截止频率fT=15GHz,最高振荡频率fmax=35GHz。     

MOCVD生长的SiC衬底高迁移率GaN沟道层AlGaN/AlN/GaN HEMT结构

用MOCVD技术在高阻6H-SiC衬底上研制出了具有高迁移率GaN沟道层的AlGaN/AlN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)结构材料,其室温和80K时二维电子气迁移率分别为1944和11588cm2/(V·s),相应二维电子气浓度为1.03×1013cm-2;三晶X射线衍射和原子力显微镜分析表明该材料具有良好的晶体质量和表面形貌,10μm×10μm样品的表面粗糙度为0.27nm.用此材料研制出了栅长为0.8μm,栅宽为1.2mm的HEMT器件,最大漏极饱和电流密度和非本征跨导分别为957mA/mm和267mS/mm.     

MOCVD生长的SiC衬底高迁移率GaN沟道层AlGaN/AlN/GaN HEMT结构

用MOCVD技术在高阻6H-SiC衬底上研制出了具有高迁移率GaN沟道层的AlGaN/AlN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)结构材料,其室温和80K时二维电子气迁移率分别为1944和11588cm2/(V·s),相应二维电子气浓度为1.03×1013cm-2;三晶X射线衍射和原子力显微镜分析表明该材料具有良好的晶体质量和表面形貌,10μm×10μm样品的表面粗糙度为0.27nm.用此材料研制出了栅长为0.8μm,栅宽为1.2mm的HEMT器件,最大漏极饱和电流密度和非本征跨导分别为957mA/mm和267mS/mm.     

磁控溅射AlN介质MIS栅结构的AlGaN/GaN HEMT

报道了一种X波段输出功率密度达10.4W/mm的SiC衬底AlGaN/GaN MIS-HEMT。器件研制中采用了MIS结构、凹槽栅以及场板,其中MIS结构中采用了磁控溅射的AlN介质作为绝缘层。采用MIS结构后,器件击穿电压由80V提高到了180V以上,保证了器件能够实现更高的工作电压。在8GHz、55V的工作电压下,研制的1mm栅宽AlGaN/GaN MIS-HEMT输出功率达到了10.4W,此时器件的功率增益和功率附加效率分别达到了6.56dB和39.2%。     

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。     

Si衬底InGaN/GaN多量子阱LED外延材料的微结构

用透射电子显微镜(TEM)和X射线双晶衍射仪(DCXRD)对在Si(111)衬底上生长的InGaN/GaN多量子阱(MQW)LED外延材料的微结构进行了观察和分析.从TEM高分辨像观察到,在Si和AlN界面处未形成SixNy非晶层,在GaN/AlN界面附近的GaN上有堆垛层错存在,多量子阱的阱(InGaN)和垒(GaN)界面明锐、厚度均匀;TEM和DCXRD进一步分析表明MQW附近n型GaN的位错密度为10acm-2量级,其中多数为b=1/3〈112-0〉的刃位错.     

Si衬底InGaN/GaN多量子阱LED外延材料的微结构

用透射电子显微镜(TEM)和X射线双晶衍射仪(DCXRD)对在Si(111)衬底上生长的InGaN/GaN多量子阱(MQW)LED外延材料的微结构进行了观察和分析.从TEM高分辨像观察到,在Si和AlN界面处未形成SixNy非晶层,在GaN/AlN界面附近的GaN上有堆垛层错存在,多量子阱的阱(InGaN)和垒(GaN)界面明锐、厚度均匀;TEM和DCXRD进一步分析表明MQW附近n型GaN的位错密度为10acm-2量级,其中多数为b=1/3〈112-0〉的刃位错.     

低压应用的毫米波AlN/GaN MIS-HEMT器件研制

提出了一种适用于低电压工作的毫米波AlN/GaN MIS-HEMT器件,开展了材料外延结构的设计,在SiC衬底上生长了AlN/GaN外延材料。基于此材料开展了器件制作,优化了高温快速退火工艺,获得良好的欧姆接触电阻。对所制备的器件进行直流测试,结果显示,电流输出能力为2.4 A/mm,跨导极值为518 mS/mm,小信号ft达到85 GHz,fmax大于141 GHz。在5G毫米波段28 GHz频率点测试了大信号特性,当VDS =3 V时,输出功率密度为0.55 W/mm,功率附加效率(PAE)为40.1%；当VDS = 6 V时,输出功率密度为1.6 W/mm,PAE达到47.8%。该器件具有低压毫米波应用的潜力。     

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...     

不同插入层对抑制Mg掺杂p-GaN的记忆效应

研究了低温(LT) GaN和AlN不同插入层对抑制Mg掺杂p-GaN金属有机化学气相沉积外延中存在的记忆效应的影响,外延生长p-GaN缓冲层,制作具有该缓冲层的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT),并对该器件进行电学测试.二次离子质谱仪测试表明p-GaN上10 nm厚的LT-GaN插入层相比于2 nm厚的AlN插入层能更好地抑制Mg扩散.霍尔测试表明,2 nm厚的AlN插入层的引入和GaN存在较大的晶格失配会引入位错,进而会降低AlGaN/GaNHEMT的电子迁移率以及增加其方块电阻;含有10 nm厚的LT-GaN插入层的p-GaN作为缓冲层的AlGaN/GaN HEMT,其方块电阻、电子迁移率以及二维电子气(2DEG)密度分别为334.9 Ω/口,1 923 cm2/(V·s)和9.68×1012 cm-2.器件具有很好的直流特性,其饱和电流为470 mA/mm,峰值跨导为57.7 mS/mm,电流开关比为3.13×109.     

正晶向SiC衬底上表面光滑的N极性GaN薄膜材料的生长

采用MOCVD技术在101.6 mm(4英寸)正晶向半绝缘C面SiC衬底上生长了厚度为1μm的GaN缓冲层。通过深入研究不同AlN成核层上生长的GaN缓冲层的性质,揭示了正晶向SiC衬底上氮极性GaN的生长机制,发现成核层表面AlN岛的密度是决定缓冲层表面形貌的重要参数,对后续GaN的成核以及GaN岛间的合并具有显著影响。通过在AlN成核层外延期间引入N2作为载气并且以脉冲方式供应铝源,研制的成核层表面成核岛尺寸小且致密性高,有利于促进GaN成核岛之间的横向合并,并抑制GaN缓冲层的岛状生长模式,从而获得了表面光滑的N极性GaN薄膜材料,原子力显微镜20μm×20μm扫描范围下的均方根(rms)粗糙度值为1.5 nm。此外,在表面平滑的GaN薄膜上生长的GaN/AlGaN异质结的电子输运特性也同步得到提升,这有利于N极性GaN材料的微波应用。     

背势垒对InAlN/GaN异质结构中二维电子气的影响

利用有效质量理论自洽求解Poisson和Schrdinger方程理论研究了背势垒插入层对InAlN/GaN晶格匹配异质结构的电学性能的影响。研究表明,对于In0.17Al0.83N/AlN/GaN的异质结构,AlN的临界厚度为2.43 nm。此时,异质结中二维电子气(2DEG)浓度达到2.49×1013 cm-2,且不随势垒层厚度的变化而变化。重点模拟研究了具有背势垒的InAlN/AlN/GaN/AlGaN/GaN和InAlN/AlN/GaN/InGaN/GaN两种结构的能带结构和2DEG的分布情况。理论结果表明,采用AlGaN背势垒结构时,对于AlGaN的任意Al组分,GaN沟道层导带底能量均被抬升,增强了AlN/GaN三角势阱对2DEG的限制作用,提高了电子迁移率。采用InGaN/GaN作为背势垒结构,当InGaN厚度为2或3 nm时,三角势阱中的2DEG随InGaN中In组分的增加先升高后降低,这主要是由于GaN/InGaN界面处产生的正极化电荷的影响,引起电子在AlN/GaN三角势阱和InGaN/GaN势阱之间的分布变化。     

MOCVD生长AlGaN/GaN/Si(111)异质结材料

利用MOCVD在Si(111)衬底上生长了无裂纹的GaN外延薄膜和AlGaN/GaN异质结构。通过优化Si衬底的浸润处理时间、AlN层厚度等参数获得了无裂纹的GaN外延薄膜,研究了SiN缓冲层和插入层厚度对AlGaN/GaN异质结电学性质的影响,2DEG的迁移率和面密度分别达到1410cm2/V.s和1.16×1013cm-2。     

fmax为107GHz的AlGaN/GaN HFET

UCLA,JPL和Epitronics报道了在半绝缘4H-SiC衬底上生长的非掺杂沟道Al0.30Ga0.70N/GaN HFET,器件没有制作空气桥,获得的fmax达到了107GHz的新记录.该器件包括一个100nm AlN缓冲层、1.25nm的未掺杂GaN、3nm的未掺Al0.30Ga0.70N和n型重掺杂(Si=1×1019cm-3)的30nm的Al0.30Ga0.70N层.栅长为0.2μm,由于在AlGaN层中的Al含量高和n型掺杂重,获得的源漏欧姆接触电阻为0.15Ω*mm.除了优越的频率特性,该器件的跨导为260mS/mm(栅的反向偏置电压为3.5V),饱和电流密度为1.2A/mm.     

AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors on Sapphires with fmax of 100GHz

制作了蓝宝石衬底上生长的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管.0V栅压下,0.3μm栅长、100μm栅宽的器件的饱和漏电流密度为0.85A/mm,峰值跨导为225mS/mm;特征频率和最高振荡频率分别为45和100GHz;4GHz频率下输出功率密度和增益分别为1.8W/mm和9.5dB,8GHz频率下输出功率密度和增益分别为1.12W/mm和11.5dB.