fT为102 GHz的蓝宝石衬底AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

研究了一款高性能的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件(HEMT),器件基于在蓝宝石衬底上外延生长的AlGaN/GaN异质结构HEMT材料,器件栅长为86 nm,源漏间距为0.8μm。电子束光刻实现T型栅和源漏,保证了器件小的栅长和高的对准精度。制备的器件显示了良好的直流特性和射频特性,在栅偏压为0 V时漏电流密度为995 mA/mm,在栅源电压Vgs为-4.5 V时,最大峰值跨导为225 mS/mm;器件的电流增益截止频率fT和最大振荡频率fmax分别为102和147 GHz。高fT值一方面得益于小栅长,另一方面由于小源漏间距减小了源漏沟道电阻。     

高耐压Si基GaN功率电子器件

基于Si基GaN HEMT材料制作了击穿电压530V、无场板的功率电子器件。器件制作工艺与现有GaN微波功率器件工艺兼容。研究了器件栅漏间距与击穿电压的关系。器件栅宽为100μm,栅漏间距为15μm时,得到的GaN HEMT器件击穿电压530V,最大电流密度536mA/mm。器件的特征通态电阻为1.54mΩ·cm2,是相同击穿电压Si MOSFET器件特征通态电阻的二十五分之一。所制作的6mm栅宽器件击穿电压400V,输出电流2A。该器件的研制为制作低成本GaN HEMT功率器件奠定了基础。     

Ka波段AlGaN/GaN HEMT的研制

为了提高AlGaN/GaN HEMT的频率,采用了缩小源漏间距、优化栅结构和外围结构等措施设计了器件结构,并基于国内的GaN外延片和工艺完成了器件制备.测试表明所研制的AlGaN/GaN HEMT可以满足Ka波段应用.其中2×75μm栅宽AlGaN/GaN HEMT在30V漏压下的截止频率为32GHz,最大振荡频率为1...     

X波段GaN HEMT内匹配器件

自主研制的GaN HEMT,栅源泄漏电流从10-4 A量级减小到了10 -6 A量级,有效提高了栅漏击穿电压,改善了器件工作特性.采用MIS结构制作了2.5mm栅宽GaN HEMT,测试频率为8GHz,漏源电压为33V时,器件连续波输出功率为18.2W,功率增益为7.6dB,峰值功率附加效率为43.0%.2.5mm×4 GaN HEMT内配配器件,测试频率8GHz,连续波输出功率64.5W,功率增益7.2dB,功率附加效率39%.     

X波段GaN HEMT内匹配器件

自主研制的GaN HEMT,栅源泄漏电流从1E-4A量级减小到了1E-6A量级,有效提高了栅漏击穿电压,改善了器件工作特性. 采用MIS结构制作了2.5mm栅宽GaN HEMT,测试频率为8GHz,漏源电压为33V时,器件连续波输出功率为18.2W,功率增益为7.6dB,峰值功率附加效率为43.0%. 2.5mm×4 GaN HEMT内匹配器件,测试频率8GHz,连续波输出功率64.5W,功率增益7.2dB,功率附加效率39%.     

一种高速、高共模噪声抗扰的电平位移电路

介绍了一种应用于GaN驱动的0.35μm HV CMOS工艺的高速、高共模噪声抗扰的电平位移电路。该电路采用高速电流镜和双锁存结构,并增加共模抗扰辅助电路,大大提高了传输速度和对共模噪声的抗扰能力。该高速、高共模噪声抗扰的电平位移电路主要用于驱动增强型GaN的高压半桥栅驱动。仿真结果显示该电平位移电路上升沿传输延时1.03 ns,下降沿传输延时1.15 ns,可承受GaN高压半桥栅驱动开关节点SW处电压浮动50 V/ns。     

一种新型的常通型GaN HEMT器件

对新型常通型GaN HEMT器件的特性和参数进行了研究。阐述了其静态特性、动态特性及电流崩塌问题。针对其动态特性,与相近规格的Si MOSFET器件（TK2Q60D）在开通、关断时间与栅源电压的关系方面进行了对比,探讨了常通型GaN HEMT器件在不同输入电压和不同开关频率下的电流崩塌现象,并采用Boost电路,对常通型GaN HEMT器件和Si MOSFET器件的最高工作频率能力进行了对比。实验结果表明,常通型GaN HEMT器件具有更高的工作频率,且工作频率的升高不影响电流崩塌现象。     

大电流密度高性能AlGaN/GaN HEMT器件研制

在SiC衬底上制备得到了表面钝化氮化硅(SiN)的AlGaN/Ga N高电子迁移率场效应晶体管(HEMTs)。采用高电子浓度的AlGaN/GaN异质结材料、90 nm T型栅、100 nm SiN表面钝化、低欧姆接触以及较短漏源间距等方法来提升器件性能。在Vgs=4 V时器件的最大漏源饱和电流密度为1.72 A/mm,最大跨导为305 m S/mm,此结果为国内报道的AlGaN/GaN HEMT器件最大漏源饱和电流密度。此外,栅长为90 nm T型栅器件的电流增益截止频率(fT)为109GHz,最大振荡频率(fmax)为144 GHz。     

用于GaN驱动芯片的低功耗高可靠高侧供电电路

高侧供电电路对GaN驱动芯片的可靠性和功耗有非常重要的影响。设计并实现了一种低功耗高可靠的高侧供电电路。考虑到GaN器件的低栅源击穿电压及其反向导通特性，通过自举钳位稳压设计将低压差线性稳压器(LDO)直接搭建在高侧通路以实现对GaN器件栅源电压的保护，此外通过设计抗高侧地HS负压的电平位移电路以实现在高频、高噪声条件下GaN驱动芯片能够正常工作。该高侧供电电路基于0.18μm BCD工艺设计并流片，测试结果表明，集成该高侧供电电路的GaN驱动芯片的高侧输出端能够在最大90 V/ns的电压转换速率或最小25 ns脉宽的输入脉冲下输出最大压差5 V的方波信号，具有良好的性能。     

漏源间距对AlGaN/GaN HEMT器件特性的影响

采用相同的欧姆接触,栅长为100 nm的T型栅以及50 nm的氮化硅(SiN)表面钝化等器件工艺,制备了漏源间距分别为2和3μm的AlGaN/GaN高电子迁移率场效应晶体管(HEMT).研究发现,当漏源间距从2μm增加至3μm后,器件的直流特性略有下降,如在Vgs为1V下的饱和电流密度从1.4 A/mm下降至1.3 A/mm.此外,器件的射频特性也略有下降,电流增益截止频率(fT)从121 GHz降至116 GHz,最大振荡频率(fmax)从201 GHz下降至189 GHz.然而,器件的击穿特性却有显著提升,击穿电压从44 V提升至87 V.在实际器件设计制备过程中可考虑适当增加漏源间距,在保持直流和射频特性的前提下,提升器件的击穿特性.     

MOS AlGaN/GaN HEMT研制与特性分析

研制出在蓝宅石衬底上制作的MOS AIGaN/GaN HEMT.器件栅长1um,源漏间距4um,采用电子束蒸发4nm的Si02做栅介质.在4V栅压下器件饱和电流达到718mA/mm,最大跨导为172mS/mm,ft和fmax分别为8.1和15.3GHz.MOS HEMT栅反向泄漏电流与未做介质层的肖特基栅相比,在反偏10V时由2.1×10-8mA/mm减小到8.3×10-9mA/mm,栅漏电流减小2个数量级.MOS AIGaN/GaN HEMT采用薄的栅介质层,在保证减小栅泄漏电流的同时未引起器件跨导明显下降.     

MOS AlGaN/GaN HEMT研制与特性分析

研制出在蓝宅石衬底上制作的MOS AIGaN/GaN HEMT.器件栅长1um,源漏间距4um,采用电子束蒸发4nm的Si02做栅介质.在4V栅压下器件饱和电流达到718mA/mm,最大跨导为172mS/mm,ft和fmax分别为8.1和15.3GHz.MOS HEMT栅反向泄漏电流与未做介质层的肖特基栅相比,在反偏10V时由2.1×10-8mA/mm减小到8.3×10-9mA/mm,栅漏电流减小2个数量级.MOS AIGaN/GaN HEMT采用薄的栅介质层,在保证减小栅泄漏电流的同时未引起器件跨导明显下降.     

Ka波段GaN HEMT功率器件

设计了Ka波段GaN功率高电子迁移率晶体管(HEMT)外延材料及器件结构,采用AlN插入层提高了二维电子气(2DEG)浓度.采用场板结构提高了器件击穿电压.采用T型栅工艺实现了细栅制作,提高了器件高频输出功率增益.采用钝化工艺抑制了电流崩塌,提高了输出功率.采用通孔工艺减小源极寄生电阻,通过优化钝化层厚度减小了寄生电容,提高了器件增益.基于国产SiC外延材料及0.15 μm GaN HEMT工艺进行了器件流片,最终研制成功Ka波段GaN HEMT功率器件.对栅宽300 μm器件在29 GHz下进行了微波测试,工作栅源电压为-2.2V,源漏电压为20 V,输入功率为21 dBm时,器件输出功率为30 dBm,功率增益为9 dB,功率附加效率约为43％,功率密度达到3.3 W/mm.     

复合沟道氟离子增强型AlGaN/GaN HEMT的研究

提出一种复合沟道氟离子(F-)增强型AlGaN/GaN HEMT(Hybrid-channel enhancement-mode AlGaN/GaN HEMT,HCE-HEMT)新结构。该结构引入高、低浓度F-复合沟道,其中高浓度F-注入区位于沟道靠近源漏两端以调制阈值电压,获得增强型器件;低浓度F-区位于沟道中部以调制肖特基栅电极的正向开启电压,增加器件承受的栅电压摆幅,但它对其下方二维电子气的耗尽作用很弱。同时,高浓度区只占栅长的40%,减轻高浓度F-对沟道的影响,提升器件的电流能力。利用Sentaurus软件仿真,结果显示,与传统F-增强型AlGaN/GaN HEMT相比,HCE-HEMT载流能力提高了40.3%,比导通电阻下降了23.3%,同时反向耐压仅下降了5.3%。     

凹槽栅增强型GaN功率器件的开关特性研究

由于AlGaN/GaN异质结界面自发极化和压电极化产生的二维电子气,使器件处于常开状态,需要施加额外的负栅极电压将其关断。而增强型p-GaN栅结构的肖特基栅漏电大,极大地限制了器件的工作电压范围。本文基于原子层刻蚀及原子层沉积技术,在硅基衬底上制备出凹槽栅增强型GaN MOS-HEMT功率器件,阈值电压为2.5 V,电流开关比>1010,衬底接地时击穿电压为760 V。基于Silvaco TCAD建立了电学输运模型,对器件的转移输出特性进行拟合,并提取模型参数。同时,基于器件-电路混合电路仿真器MixedMode建立双脉冲测试电路,首次评估了凹槽栅增强型GaN MOS-HEMT器件的开关特性。当负载电流为12 A时,器件的导通上升时间为1 ns,关断下降时间为1.6 ns,处于现有文献报道的最低值。这些结果表明,凹槽栅增强型GaN MOS-HEMT在功率器件领域具有广阔的应用前景。     

60Co-γ射线辐射对AlGaN/GaN HEMT器件直流特性的影响

采用1.25Mev 60Co γ射线辐射源对钝化前后的AlGaN/GaN HEMT器件进行了1Mrad(Si)的总剂量辐射,实验发现：1Mrad总剂量辐射后未钝化器件的饱和漏电流和最大跨导分别下降了15%和9.1%,而且正向和反向栅电流明显增加,但是阈值电压几乎没有发生变化。相反的,同样的累积剂量下,钝化器件的饱和漏电流和最大跨导却基本没变。通过对钝化前后器件的不同辐射反应以及C-V测试的分析表明,栅-源和栅-漏间隔区辐射感生表面态负电荷的产生是低剂量下AlGaN/GaN HEMT器件电特性退化的主要原因,同时也说明钝化可以有效地抑制60Co γ辐射感生表面态电荷,它是一种有效的加固手段。     

具有场板结构的AlGaN/GaN HEMT的直流特性

研制成功具有场板结构的AIGaN/GaN HEMT器件,对源场板、栅场板器件的性能进行了分析.场板的引入减小了器件漏电和肖特基漏电,提高了肖特基反向击穿电压.源漏间距4靘的HEMT的击穿电压由常规器件的65V提高到100V以上,肖特基反向漏电由37霢减小到5.7霢,减小了一个量级.肖特基击穿电压由常规结构的78V提高到100V以上.另外,还初步讨论了高频特性.     

GaN基HEMT栅终端场板结构研究

制作了带有栅终端场板结构的GaN基HEMT,研究了击穿电压与场板长度的关系,提取了最佳场板长度为0.4,0.5,0.6μm时所对应的栅漏击穿电压最大,为120 V.研究了栅终端场板对器件小信号特性和大信号的影响,栅终端场板长度0.4μm时,器件特征频率及最大振荡频率减小量最小.在栅宽1 mm、频率8 GHz、无场板器件最大工作电压28 V时,连续波输出功率3.2 W,功率增益4.0 dB,功率附加效率17.0%;栅终端场板器件最大工作电压38 V时,连续波输出功率5.1 W,功率增益4.1 dB,功率附加效率21.0%.     

具有场板结构的AlGaN/GaN HEMT的直流特性

研制成功具有场板结构的AIGaN/GaN HEMT器件,对源场板、栅场板器件的性能进行了分析.场板的引入减小了器件漏电和肖特基漏电,提高了肖特基反向击穿电压.源漏间距4靘的HEMT的击穿电压由常规器件的65V提高到100V以上,肖特基反向漏电由37霢减小到5.7霢,减小了一个量级.肖特基击穿电压由常规结构的78V提高到100V以上.另外,还初步讨论了高频特性.     

Ka波段GaN HEMT栅结构仿真研究

为了研究适合Ka波段GaN HEMT的栅结构尺寸,借助二维器件仿真软件Silvaco Atlas,在完善仿真模型的基础上研究了T型栅各部分对GaN HEMT特性的影响,包括栅长与短沟道效应的关系、栅与沟道距离对短沟道效应和饱和漏电流的影响,以及栅金属厚度对最大震荡频率,栅场板对截止频率、最大震荡频率和内部电场的影响。根据典型器件结构和材料参数的仿真表明,为了提高频率并减轻短沟道效应,栅长应取0.15~0.25um;减小栅与沟道的距离可略微改善短沟道效应,但会明显降低器件的饱和漏电流,综合考虑栅调制能力、饱和漏电流、短沟道效应三个方面,栅与沟道距离应取10~20nm;为了提高最大振荡频率,栅金属厚度应大于0.4um;缩小栅场板长度可有效提高器件的频率,兼顾Ka波段应用和提高击穿电压,栅场板长度应在0.3~0.4um左右。仿真得出的器件性能随结构参数的变化趋势以及尺寸数据对于Ka波段GaN HEMT的研究具有参考意义。