超宽禁带半导体AlN功率电子学的新进展(续)

以SiC和GaN为代表的第三代半导体功率电子学已成为当今功率电子学创新发展的主流，而有可能成为下一代固态功率电子学的超宽禁带半导体AlN功率电子学和同类的Ga₂O₃、金刚石功率电子学同样受到人们的关注。介绍了AlN功率电子学在AlN功率二极管、AlN功率高电子迁移率晶体管(HEMT)、AlN增强GaN HEMT和AlN的热管理应用等方面的最新进展，包括AlN异质多层外延结构、超晶格量子阱结构、AlN功率器件新结构设计、AlN新器件工艺、AlN超薄势垒层、AlN缓冲层、AlN钝化层、AlN耦合沟道层、AlN及其合金的热阻和AlN多晶陶瓷热导率等。分析评价了AlN功率电子学的发展、关键技术进步和发展态势。     

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.     

低成本Si基GaN微电子学的新进展

进入21世纪后,宽禁带半导体GaN微电子学发展迅速,SiC基GaN微电子学已成为微波电子学的发展主流,且正在向更高频率和更高功率密度的新一代GaN微波功率器件发展。为了降低成本,Si基GaN微电子学应运而生,在5G通信、电动汽车等绿色能源应用发展的带动下,Si基GaN微电子学已进入产业化快速发展阶段。介绍了Si基GaN微电子学在射频Si基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)新器件结构、工艺与可靠性,Si基GaN HEMT单片微波集成电路(MMIC),Si基E模功率GaN HEMT结构设计,大尺寸Si基GaN HEMT工艺,Si基GaN功率开关器件的可靠性,Si基GaN功率变换器的单片集成和高频开关Si基GaN器件的应用创新等工程化、产业化方面的最新技术进展。分析和评价了低成本Si基GaN微电子学工程化和产业化的发展态势。     

低成本Si基GaN微电子学的新进展(续)

进入21世纪后,宽禁带半导体GaN微电子学发展迅速,SiC基GaN微电子学已成为微波电子学的发展主流,且正在向更高频率和更高功率密度的新一代GaN微波功率器件发展。为了降低成本,Si基GaN微电子学应运而生,在5G通信、电动汽车等绿色能源应用发展的带动下,Si基GaN微电子学已进入产业化快速发展阶段。介绍了Si基GaN微电子学在射频Si基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)新器件结构、工艺与可靠性,Si基GaN HEMT单片微波集成电路(MMIC),Si基E模功率GaN HEMT结构设计,大尺寸Si基GaN HEMT工艺,Si基GaN功率开关器件的可靠性,Si基GaN功率变换器的单片集成和高频开关Si基GaN器件的应用创新等工程化、产业化方面的最新技术进展。分析和评价了低成本Si基GaN微电子学工程化和产业化的发展态势。     

应用于微波通信系统新型器件GaN HEMT研究

通过自洽求解一维泊松方程,计算了应用于微波通信系统的非故意掺杂AlGaN/AlN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的外延层结构参数对器件的二维电子气(2DEG)浓度,跨导等性能的影响.通过理论分析并结合TCAD软件最终确定AlGaN/AlN/GaN HEMT的最佳外延层结构.对栅长0.3 μm和栅宽100 μm的器件仿真结果表明,器件的最大跨导为418 mS/mm,器件的最大电流密度为2 300 mA/mm,性能良好.     

超宽禁带半导体金刚石功率电子学研究的新进展

以SiC/GaN为代表的第三代半导体功率电子学已成为当今功率电子学创新发展的主流,超宽禁带半导体金刚石功率电子学将有可能成为下一代固态功率电子学的代表,受到研究人员的广泛关注。介绍了金刚石功率电子学的最新进展,如金刚石单晶、金刚石化学气相沉积同质和异质单晶外延、金刚石多晶外延、金刚石二极管、金刚石MOSFET、金刚石结型场效应晶体管、金刚石双极结型晶体管、金刚石逻辑电路、金刚石射频场效应晶体管和金刚石上GaN HEMT等。还介绍了金刚石材料的大尺寸、低缺陷和p型及n型掺杂等制备技术,金刚石新器件结构设计,金刚石新器件工艺,转移掺杂H端-金刚石沟道和金刚石/GaN界面热阻等研究成果。分析了金刚石功率电子学的发展由来、关键技术突破和发展态势。     

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。     

AlN阻挡层对AlGaN/GaNHEMT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.     

一种降低GaN HEMT沟道温度的新结构

针对氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)沟道温度过高导致器件性能下降的问题,提出一种降低GaN HEMT沟道温度的新结构,通过优化沟道电场来降低沟道温度.该结构采用混合势垒层设计,将栅极下方的势垒层分为两层,上层采用AlN,下层采用重掺杂的AlGaN;此外,该结构还使用场板;为了更好的散热,该结构采用热导率更高的AlN代替传统的Si₃N₄作为器件的钝化层.场板和混合势垒层有利于改善沟道电场,降低器件沟道温度.仿真结果表明,相比于传统结构,新结构的沟道温度分布更加均匀,温度峰值下降47 K.此外,新结构的击穿电压提高50%,输出特性也得到了改善.     

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。     

基于AlN和GaN形核层的AlGaN/GaN HEMT外延材料和器件对比

使用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底上分别采用AlN和GaN作为形核层生长了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)外延材料,并进行了器件制备和性能分析.通过原子力显微镜(AFM)、高分辨率X射线双晶衍射仪(HR-XRD)和二次离子质谱仪(SIMS)等仪器对两种样品进行了对比分析,结果表明采用AlN形核层的GaN外延材料具有更低的位错密度,且缓冲层中氧元素的拖尾现象得到有效地抑制.器件直流特性显示,与基于GaN形核层的器件相比,基于AlN形核层的器件泄漏电流低3个数量级.脉冲Ⅰ-Ⅴ测试发现基于GaN形核层的HEMT器件受缓冲层陷阱影响较大,而基于AlN形核层的HEMT器件缓冲层陷阱作用不明显.     

增强型GaN HEMT器件的实现方法与研究进展

考虑到实际应用对可靠性、设计成本及能耗的要求,增强型GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件比传统耗尽型GaN HEMT器件优势更显著。目前有许多方法可以实现增强型GaN HEMT器件,如使用p型栅技术、凹栅结构、共源共栅（Cascode）结构、氟离子处理法、薄势垒AlGaN层以及它们的改进结构等。分别对使用以上方法制备的增强型GaN HEMT器件进行了综述,并对增强型GaN HEMT器件的最新研究进展进行了总结,探索未来增强型GaN HEMT器件的发展方向。     

A surface-potential-based model for AlGaN/AlN/GaN HEMT

A new surface-potential-based model for AlGaN/AlN/GaN high electron mobility transistor(HEMT) is proposed in this paper. Since the high polarization effects caused by AlN interlayer favorably influence the two dimensional electron gas(2DEG) and scattering mechanisms, we first add spontaneous and piezoelectric charge terms to the source equation of surface-potential, and a mobility model for AlGaN/AlN/GaN HEMT is rewritten. Compared with TCAD simulations, the DC characteristics of AlGaN/AlN/GaN HEMT are faithfully reproduced by the new model.     

国外几种半导体新器件的发展概况

本文对一些半导体新器件,如HEMT、HBT、超晶格器件、约瑟夫逊器件、三维器件等,的工作原理,器件结构,工艺技术,器件水平和应用前景进行了评述。     

氮化物半导体电子器件的若干研究进展

近年来,氮化物半导体电子器件和材料研究有了重大的进展。在国家自然科学基金资助下,西安电子科技大学、北京大学和中科院微电子所完成了国家自然科学基金重点项目《GaN宽禁带微电子材料和器件重大基础问题研究》。致力于通过氮化物电子材料和器件的基础物理机理研究提高GaN电子材料的结晶质量和电学性能、发展新结构GaN异质结材料研究,获得高性能的GaN HEMT微波功率器件。本文主要介绍该项目在GaN微波功率HEMT和新型高k栅介质MOS-HEMT、InAlN/GaN材料的生长和物性缺陷分析以及HEMT器件研制、GaN异质结的量子输运和自旋性质研究以及GaN材料高场输运性质和耿氏器件等几个方面取得的研究进展。     

一种电介质/P-AlGaN叠栅增强型HEMT

为提高器件的阈值电压,提出了一种带电介质/P-AlGaN叠栅结构的增强型AlGaN/GaN HEMT。分析了器件阈值电压提高的机理,优化了电介质的介电常数和厚度。结果表明,该增强型AlGaN/GaN HEMT的阈值电压高达8.6 V。这个很高的阈值电压值能满足功率电子系统的安全性需要。     

化合物半导体器件与电路的研究进展

介绍了GaAs,InP和GaN等几种重要化合物半导体电子器件的特点、应用和发展前景。回顾了GaAs,InP和GaN材料的材料特性及其器件发展历程与现状。分别讨论了GaAs基HEMT由PHEMT渐变为MHEMT结构和性能的变化,GaAs基HBT在不同电路应用中器件的特性,InP基HEMT与HBT的器件结构及工作特性,GaN基HEMT与HBT的器件特性参数。总体而言,化合物半导体器件与电路在高功率和高频电子器件方面发展较快,GaAs,InP和GaN材料所制得的各种器件电路工作在不同的频率波段,其在相关领域发展潜力巨大。     

固态微波电子学的新进展

固态微波电子学是现代电子学的重要分支之一,其基础材料已由第一代半导体Si和Ge、第二代半导体GaAs和InP,发展到第三代半导体GaN和SiC,石墨烯和金刚石等C基新材料正在进行探索性的研究,其加工工艺的尺寸也已进入纳米尺度,其工作频率已达到1 THz,应用的频率可覆盖微波毫米波到太赫兹.目前固态微波电子学呈多代半导体材料和器件共同发展的格局.综述了具有代表性的1 1类固态器件(RF CMOS,SiGe BiCMOS,RF LDMOS,RF MEMS,GaAs PHEMT,GaAs MHEMT,InP HEMT,InP HBT,GaN/SiC HEMT,GFET和金刚石FET)近几年的最新研究进展,详细介绍了有关固态微波电子学的应用需求、技术特点、设计拓扑、关键技术突破和测试结果,分析了当前固态微波电子学总的发展趋势和11类固态微波器件的发展特点和定位.最后介绍了采用3D异构集成技术的射频微系统的最新进展,指出射频微系统是发展下一代射频系统的关键技术.     

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.     

热阻降低39.5%的4英寸金刚石基GaN HEMT工艺

散热问题是制约GaN大功率器件应用的瓶颈,为解决这个问题,研究人员将注意力集中到金刚石上的GaN结构(金刚石基GaN)。研发了一种将4英寸(1英寸=2.54 cm)GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)转移到金刚石上来提高散热效率的工艺技术。首先采用GaN HEMT标准工艺制备GaN器件,然后将衬底进行剥离去除,接着将纳米级粘接层沉积到GaN和多晶金刚石的表面,最后通过4英寸晶圆级键合工艺,将去除衬底的GaN HEMT转移到金刚石上。测试结果显示,转移后的GaN HEMT的热阻较转移前热阻降低了39.5%,6.5 W总耗散功率下GaN HEMT的结温降低了33.77℃。而且,在48 V下对转移后的GaN HEMT进行了测试,结果表明,栅源电压1 V下漏极电流密度为0.93 A/mm,频率3.5 GHz下输出功率密度达到10.45 W/mm,功率附加效率(PAE)为51%,增益为13.9 dB。