王冲[1]2006年在《AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管的研制与特性分析》文中研究指明AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)在高温大功率方面有非常好的应用前景。但是,AlGaN/GaN HEMT的工艺技术还不成熟,干法刻蚀、肖特基接触、欧姆接触、钝化、空气桥技术等多个关键工艺技术还有待优化和提高。AlGaN/GaN HEMT结构的优化及器件温度特性和可靠性问题还需要更多的分析研究工作。本文即在此背景下对AlGaN/GaN HEMT的几个关键工艺技术,以及器件特性与工艺、结构、温度、应力的关系进行了广泛而且较深入的研究。主要研究工作和成果如下：1.利用自主产权的MOCVD系统成功的生长出了高特性的AlGaN/GaN异质结材料；对材料在变温条件下特性的变化进行了研究;生长出了不同层结构的AlGaN/GaN异质结材料,得到了最有利于提高器件特性的层结构。2.对自行研制的GaN、AlGaN材料进行了感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀研究；对刻蚀速率与上电极功率、自偏压、反应室压力、反应气体配比的关系进行了摸索,更好的控制了刻蚀过程；在保证刻蚀速率的前提下优化刻蚀工艺条件,并采用SiO2做掩模材料得到了最佳的有源区形貌；进行了GaN/Al0.27Ga0.73N选择性刻蚀研究,为AlGaN/GaN HEMT的槽栅刻蚀提供了依据；研究了表面氧化层造成的刻蚀延迟现象,提高刻蚀自偏压能有效的减小刻蚀延迟；采用AFM研究了刻蚀损伤现象,在相同刻蚀参数下Cl2/N2和Cl2/Ar两种刻蚀气体中Cl2/N2气体获得了较小的刻蚀粗糙度。3.对自行研制的AlGaN/GaN异质结材料上Ni/Au肖特基接触进行研究,得到了高特性的肖特基接触,满足了AlGaN/GaN HEMT栅肖特基的特性要求；采用I-V法和C-V法对GaN上的Ni/Au肖特基势垒高度和理想因子进行了计算；研究了采用不同条件的O2等离子体和不同溶液表面处理对AlGaN/GaN异质结肖特基特性的影响效果；得到了提高AlGaN/GaN异质结肖特基特性的最佳退火条件；结合表面处理和退火两个因素,得到了进一步提高AlGaN/GaN异质结肖特基特性的工艺条件,并采用变频C-V进行了验证；对表面氧化层和介质层对肖特基特性的影响进行了研究；分析了20-200℃之间AlGaN/GaN异质结肖特基特性的变化规律。4.研究并给出了完整的AlGaN/GaN HEMT工艺流程,对光刻、剥离、金属淀积、钝化、电镀等重要的工艺步骤进行了工艺条件优化,制造出了具有良好特性的蓝宝石衬底和SiC衬底AlGaN/GaN HEMT;优化了器件的层结构,采用i-AlGaN或i-GaN帽层结构提高了栅肖特基特性;研究了不同衬底器件的自热效应,SiC衬底器件在较大漏偏压下只有很小的饱和电流下降；研究了器件截止频率的影响因素,减小栅长、接触电阻、寄生电容能得到更好的频率特性。设计了多栅指的大尺寸AlGaN/GaN HEMT器件,对空气桥跨接工艺进行了摸索,成功实现了空气桥互连。5.对自行研制出的AIGaN/GaN HEMT的温度稳定性进行了研究,器件的输运特性退化主要原因是材料迁移率下降,采用变温C-V及TLM测量研究了器件特性退化原因;研究了N2气氛中不同退火温度和时间下器件主要参数的变化,得到了热退火对AlGaN/GaN HEMT栅肖特基特性提高的最优退火条件；研究了不同偏置高场应力下AlGaN/GaN HEMT特性退化情况,并与直流扫描电流崩塌现象进行了对比,直流扫描电流崩塌现象在紫外光照后立即恢复,而高场应力后器件特性的退化无法恢复。综上所述,本文在研制出高质量的AlGaN/GaN异质结材料的基础上,系统的解决了刻蚀、肖特基接触、钝化、电镀空气桥等关键工艺技术,成功的研制出了具有良好特性的AlGaN/GaN HEMT,并对器件的温度特性、高场应力可靠性进行了分析研究,取得了满意的结果。
唐广[2]2004年在《大功率AlGaN/GaN HEMT关键制作工艺的研究》文中研究表明本论文主要研究了实现大功率 AlGaN/GaN HEMT 实用化所必须解决的两个关键问题:降低栅极反向漏电流和降低热阻。论文首先对NiAu与AlGaN/GaN HEMT结构形成的肖特基接触的反向漏电流特性进行了研究。通过对 AlGaN/GaN HEMT 材料表面用 ICP 氧气等离子氧化处理,成功地将肖特基结反向漏电流降低了两个数量级。通过 XPS 分析发现,表面处理之后生成 Al 的氧化物薄膜是导致漏电流降低的原因。这一方法可以简单有效地降低栅极漏电流。论文对 GaN 基 HEMT 器件的热阻问题进行了研究。通过对热阻的理论估算,发现基于蓝宝石衬底的 AlGaN/GaN HEMT 器件的热阻不能简单地通过减薄衬底来完全解决。提出了改进的倒装焊方法来降低热阻,并设计制作了倒装焊器件。实验结果表明,这种改进的倒装焊技术可以使 HEMT 器件的饱和漏极电流提高 10%。
祝杰杰[3]2016年在《氮化物MIS-HEMT器件界面工程研究》文中研究说明与传统的肖特基栅HEMT相比,GaN基绝缘栅HEMT器件可以有效减小栅极泄漏电流,在高效微波功率放大器、高压开关等应用中具有广阔的应用前景。然而,栅绝缘层与氮化物之间严重的界面问题会引起器件性能退化和可靠性问题,近年来成为国际研究的热点。本论文创新性地采用AlN栅绝缘层替代常用的栅氧介质,基于高质量AlN绝缘层材料制备工艺和优化的界面预处理工艺,研制了高界面质量的GaN基MIS-HEMT器件,并利用等效电路和解析模型对其界面特性进行了定量表征。论文的主要研究成果包括：(1)采用等离子增强原子层沉积技术在低温下制备了高质量的AlN绝缘层材料。采用TMA和NH3作为反应前驱体源,通过优化前驱体脉冲时间、吹扫时间、RF功率等工艺参数,在100℃-300℃工艺温度范围内实现了AlN薄膜的自限制饱和生长。A1N薄膜沉积速率约为0.081nm/cycle,实现了原子尺度上的膜厚精确控制。通过优化工艺温度,在300℃下得到了光学禁带宽度为5.8eV、表面粗糙度RMS小于0.5nm的AlN薄膜。XPS测试结果显示,PEALD沉积AlN薄膜中氧杂质原子含量处于13%的较低水平,Al/N原子比为1.6。AlN薄膜中不含碳杂质,说明优化的沉积工艺有效避免了TMA前驱体中的碳原子嵌入。快速热退火处理使薄膜结构和电学特性进一步改善,优化的退火温度范围是450℃。(2)开发并优化了GaN基MIS-HEMT器件的低损伤界面预处理技术和表面钝化工艺。HF溶液处理使AlGaN/GaN异质结方阻显着减小,但是导致欧姆接触特性恶化,所以本论文采用对沟道和欧姆接触影响不大的KOH碱溶液化学清洗工艺。Hall测试表明,KOH溶液清洗、N2等离子体处理、02/N2等离子体处理分别使2DEG密度升高10%,迁移率降低10-20%；NH3/N2等离子体处理过程,含氢基团使2DEG密度降低约10%,迁移率提高约10%。基于表面处理结果优化了MIS-HEMT器件的原位界面预处理工艺,确定NH3/N2等离子体预处理可以使器件获得最优的界面和沟道输运特性。研究了10nm表面钝化层对异质结沟道特性的影响,Hall测试显示PEALD沉积、ALD沉积PECVD沉积SiN分别使异质结方阻减小10%以上。拉曼测试表明钝化层对异质结应力作用很小,沟道输运特性变化来源十表而调制作用。A1203钝化层中含有-OH基团,ON使界面态和2DEG面密度增大;A1N和SiN生长过程中有NH3参与反反应,表面施主态减少导致2DEG密度降低20%-50%,迁移率提高至原来的2倍,且AlN饨化层的表面调制作用更强。脉冲测试表明AlN钝化器件的电流崩塌量仅为6%,远远低于常规PECVD沉积SiN钝化器件的26%,从而确定PEALD沉积AlN为最优的表面钝化层材料。(3)基于PEALD沉积AlN栅绝缘层和界面预处理技术,研制了高界面质量和沟道输运特性的AlGaN/GaN MIS-HEMT器件。与肖特基栅HEMT相比,采用20nm厚Al20O栅绝缘层的MOS-HEMT器件Vth负向漂移5.2V,而采用AlN栅绝缘层的MIS-HEMT器件Vth仅负漂了0.8V。AlN栅绝缘层使绝缘栅异质结构的C-V测试Vth回滞电压从0.6V减小至50mV以下,变频C-V表明界面态密度从4.61×1012cm-2减小至2.78×1012cm-2。AlN栅绝缘层使GaN基绝缘栅HEMT器件沟道输运特性和场效应迁移率提高,0.5μm栅长器件的峰值跨导从203mS/mm提高到289mS/mm,甚至超过了肖特基栅器件的270mS/mm。AlN栅绝缘层有效改善了绝缘栅HEMT器件的频率特性和稳定性,与A1203栅绝缘层器件相比fr/fmax水平从10.8GHz/11.6GHz提高到13.4GHz/16.1GHz。研制的5nm-Al2O3/1nm-AlN超薄迭层介质凹槽栅MIS-HEMT饱和输出电流和峰值跨导分别为1.24A/mmm和413mS/mm,开关态电流比达到10-10。100μm凹槽栅MIS-HEMT器件的fr/fmax达到24GHz/102GHz,AB类工作条件下5GHz连续波输出功率超过7W/mm,功率附加效率在40%以上。(4)建立了GaN基绝缘栅HEMT器件的界面电荷定量表征模型,并对AlN/势垒层和A1203/势垒层界面电荷进行了对比分析。建立了GaN基绝缘栅异质结构的界面态等效电路模型,利用变频电导法成功分离了异质结界面和绝缘层/势垒层两个界面处的陷阱,且并联电导谱线拟合方法比常用的C-V测试方法更精确,此方法得到了国际同行的高度评价。PEALD沉积A1N栅绝缘层与势垒层之间界面态密度为0.97-2.2×1013cm-2eV-1,分布在导带底以下0.45-0.67eV能级范围；ALD沉积A1203栅绝缘层与势垒层界面ON缺陷使陷阱能级变深为0.52-0.72eV,态密度增大到1.6-9.0×1013cm-2eV-1。基于异质结能带结构和界面电荷分布,建立了肖特基栅和绝缘栅异质结构的平带电压解析模型,比直接采用阂值电压解析法更加准确。A1203与势垒层界面电荷密度高达8.98x1012cm-2,引起平带电压和阈值电压负漂3.78V；而AlN绝缘层界面电荷密度为-1.18×1012cm-2,界面固定电荷密度极低,而以界面态为主导,界面有效电荷导致平带电压正向漂移0.32V。
范超[4]2009年在《10Gb/s单片OEIC光接收机及限幅放大器的研制》文中指出单片光电集成电路(OEIC:Opoelectronic Integrated Circuits)是指利用微电子和光电子的集成技术,将光电器件(如激光器和光探测器)和电学器件(如场效应晶体管和异质结双极晶体管)集成在同一芯片上的新型器件。通过减小器件间的互联线最大限度地消除了寄生参量的影响,使光电器件的性能和可靠性得到了显着的提高。具有体积小、成本低、可靠性高等优点,在大容量光纤通信系统、光接入网、微小型光电传感器、光电传感器阵列、光计算机、光存储、光开关、光神经网络等领域有着广泛的应用。随着OEIC技术的发展和应用市场的需求,其未来的发展方向与大规模集成电路一样,实现从简单到复杂、从少数元件到更多元件的集成,最终集光电子器件、前置放大器、主放大器以及时钟与数据恢复电路等在一起的高度集成组件。论文即是以此为目标,围绕单片OEIC光接收机及限幅放大器的研究工作展开的,主要的研究内容和创新之处如下：(1)完全基于国内的材料外延技术和PHEMT (赝配高电子迁移率晶体管)工艺技术,研制出10 Gb/s单片OEIC光接收机,组成形式为金属-半导体-金属(MSM)光探测器和电流模跨阻放大器；(2)深入研究了MSM光探测器,从国外研究结果中发现,单独的探测器和电路性能都能达到很高,但是集成器件的性能却相差甚远,其中一个非常重要的原因就是探测器的电容这一关键参数,制约了单片OEIC器件的整体性能；论文针对电容这一重要参数做了进一步的详细分析,借助于器件仿真软件ATLAS对MSM探测器进行了优化设计并实际应用于器件的制作；(3)研究并解决了单片OEIC器件制作的关键工艺,包括台面自停止工艺、电子束曝光工艺以及光探测器的制作工艺等,其中台面自停止工艺国内未见报道；实现了常规GaAs PHEMT单片微波集成电路(MMIC)工艺与MSM探测器工艺的兼容,为今后实现单片OEIC的标准化工艺积累了经验；(4)研制出应用于单片OEIC光接收机的前置放大器,首先深入研究了PHEMT管的特性,包括I-V特性、小信号S参数特性以及噪声特性等,并给出了EEHEMT模型,这些是电路设计的基础；设计并实现了大带宽、低噪声的前置放大器；其中要特别注意的是考虑了光探测器的影响,光探测器电容是制约前置放大器及整个集成芯片频率特性的瓶颈；电流模跨阻放大器可以较好地解决这一问题；(5)首次采用耗尽型PHEMT设计并研制了限幅放大器,由于耗尽型HEMT自身工作特性的局限而不适合应用于限幅放大器设计中,国外对限幅放大器的研究基于增强型和耗尽型HEMT的混合工艺；限幅放大器采用差分对形式,结构要求高度对称,对工艺提出了较高的要求,论文在电路设计中充分考虑了工艺容差；限幅放大器的成功研制,为今后实现全单片OEIC光接收机打下了良好的基础；(6)完成了无源器件的设计和验证,无源器件所起的作用不仅仅是连接有源元件,电路的偏置工作点、输入输出阻抗的匹配以及其自身与有源元件的匹配等都要依靠无源器件来完成,它决定了电路的带宽和中心频率等电学特性；其中最为关键、设计难度也最大的是电感元件；论文利用叁维电磁仿真软件HFSS对电感进行了设计、仿真,并得到了实际测试数据的验证,这也是论文工作的重要组成部分。
田学东[5]2013年在《Si基高频场效应晶体管特性仿真及工艺研究》文中指出随着高频器件在电子信息技术领域的广泛应用，以GaAs-HEMT为代表的新一代微波以及毫米波器件成为高频卫星通信、射电天文、电子战等领域不可或缺的核心部件。近年来，由于石墨烯材料的零禁带特性使得石墨烯场效应晶体管等高频器件也逐渐引起国内外研究者的广泛关注。Si作为使用最广泛的半导体材料，其成熟的工艺和优良的材料特性使得器件具有成本低、应用广泛等特点。本文主要研究了Si基GaAs-HEMT结构和Si基石墨烯场效应晶体管直流特性及加工工艺。(1)用TCAD工具对所设计的GaAs-HEMT结构进行直流特性仿真：①.随着势垒层厚度的增加，GaAs-HEMT结构的阈值电压逐渐增大，源漏跨导随势垒层厚度的降低逐渐收敛；②.GaAs-HEMT器件跨导随栅长的减小而增大且阈值电压随栅长的增加向正电压方向移动；③.势垒层掺杂会导致栅极漏电流的增大同时器件出现双导电沟道；④.GaAs-HEMT结构的温度系数与栅极电压有关，当栅压为0V时在10-6数量级。(2)设计加工了Si基GaAs-HEMT的结构：①.利用超晶格技术对Si基GaAs薄膜材料进行优化，对优化后薄膜材料利用扫面电子显微镜（SEM）观察得到其缺陷密度约为106数量级，利用原子力显微镜(AFM)得到10μm×10μm的薄膜范围内，表面粗糙度为5.21nm，同时利用透射电子显微镜(TEM)和X-射线衍射(XRD)可以明显观察到薄膜质量得到优化。②.利用柠檬酸/双氧水对GaAs和AlGaAs材料腐蚀速率不同的特点，得到了柠檬酸:双氧水=3:1时GaAs/AlGaAs的选择性腐蚀比最大约为3.5。③.利用表面微电子工艺制作出了Si基GaAs-HEMT结构。(3)设计加工了Si基石墨烯场效应晶体管结构，利用反应离子刻蚀（RIE）工艺、欧姆接触工艺、肖特基接触工艺、金属剥离工艺以及原子层沉积(ALD)工艺等工艺加工制作出了Si-GFET结构。(4)测试了Si基高频场效应晶体管结构的基本电学特性：①.对Si基GaAs-HEMT结构进行直流测试，经过拟合得到其最大源漏电流约为7mA，阈值电压约为-2.8V，针对测试结果分析Si基GaAs-HEMT结构的工艺可行性。②.测试了Si-GFET直流特性，得到器件的沟道电阻分在1600左右。本文将GaAs-HEMT结构的高频特性与Si材料的力学特性相结合，创新性地提出了Si基GaAs-HEMT结构并实现其加工工艺，为扩展GaAs-HEMT结构的应用范围提供一定的工艺基础。此外实现了Si基石墨烯场效应晶体管结构的加工工艺，得到了性能良好的Si-GFET结构。
汪昌思[6]2016年在《微波毫米波GaN HEMT大信号模型研究》文中提出氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)以其高频、大功率、高效率等特性优势,成为近年来国内外半导体器件方面研究的热点。GaN HEMT的大信号(或非线性)特性及其模型的研究,在优化器件工艺及结构、指导电路设计和提高电路性能等方面具有重要的指导作用。传统Si及GaAs基场效应晶体管模型及其建模方法,难以精确表征GaN HEMT器件的一些特殊物理特性,如陷阱、自热、谐波和环境温度等特性。精确的微波毫米波GaN HEMT大信号模型对提高器件性能、缩短电路及系统的研发周期、提高成品率、降低成本及推动其大规模系统集成与应用等方面具有重要意义。随着GaN HEMT器件特征尺寸进一步缩小、工作频率和输出功率的提升,以及对电路设计成品率的进一步需求等因素的影响,开展微波毫米波GaN HEMT建模研究对GaN器件和电路的发展有着重要意义。因此,本文针对国产GaN HEMT工艺线,围绕器件工作机理,采用经验基等效电路建模方法,系统地研究了微波毫米波GaN HEMT大信号模型的建模技术。主要研究内容包括:1.超宽带GaN HEMT小信号等效电路模型研究。针对微波毫米波GaN HEMT器件的寄生特性,在传统的晶体管小信号等效电路模型拓扑基础上,增加了栅漏间寄生电阻Rpgd和栅极及漏极端的T型寄生电感,建立了改进的宽带等效电路模型结构,改善了频率低端及高端范围内的小信号S参数拟合精度。在模型元件参数直接提取法基础上,采用了一种基于偏置相关的多维目标误差函数的参数优化方法,克服了传统优化法陷入局部最小值及单一偏置点下优化得出参数值无物理意义的缺点。建立的小信号模型应用于叁种不同结构GaN HEMT器件的小信号S参数预测结果表明,在40 GHz宽频带范围内,模型具有较好的精度和通用性。2.微波毫米波GaN HEMT大信号电热模型研究。针对器件材料的非线性热导率特性,采用有限元热仿真方法,建立了以功耗为函数的非线性热子电路模型。针对GaN HEMT非对称跨导等特性,在传统Angelov经验基大信号模型基础上,改进和修正了非线性漏源电流模型和非线性栅电容模型对栅电压的依赖特性,采用了脉冲动态I-V测试技术对GaN HEMT的陷阱效应进行表征,建立了包含自热和陷阱效应的大信号电热模型。与传统大信号模型相比,该大信号模型对DC I-V、输出功率和效率等性能具有更高的预测精度。并基于该建模方法,对不同场板结构的GaN HEMT进行了建模和大信号输出特性分析,进一步验证了模型的准确性和建模方法的有效性。3.高低温GaN HEMT大信号热电模型研究。GaN HEMT常应用于高低温环境的电路与系统中,其电性能不仅受自热效应影响,还随环境温度的变化而改变。本文针对高低温环境电热效应,基于器件电热效应的物理机理及热传递理论,利用有限元热稳态和瞬态仿真方法,分析了自热效应和环境温度对GaN HEMT沟道温度的影响,提取了等效的沟道热阻和热容参数,建立了以环境温度为函数的双热子电路模型,在-55到175 oC环境温度下对沟道温度具有更精确的预测结果。并根据该高低温电热特性,改进了非线性漏源电流和栅电容公式。测试和仿真结果对比表明,该大信号电热模型对高低温环境的小信号S参数、大信号基波、二次谐波和叁次谐波输出功率及效率等特性具有较高的预测精度。4.GaN HEMT大信号缩放模型研究。大信号模型的可缩放性是对大尺寸器件建模的重要手段,针对多指器件的热耦合效应和复杂的寄生特性,本文以中等栅宽尺寸的经验基大信号模型为参考,根据GaN HEMT器件栅指数和单位栅宽的物理几何特点,提出了基于器件尺寸大小的热子电路模型和分区域结构的大信号模型缩放规则,建立了完整的大信号缩放模型。与不同栅指数和单位栅宽的GaN HEMT在片测试结果验证表明,该大信号缩放模型能准确地预测基波及高次谐波的负载牵引阻抗特性,以及不同匹配状态下的基波及高次谐波输出功率和效率等特性,并且在大功率高效率功放单片电路(MMIC)中的预测结果精度较高。为大栅宽和高效率功率放大器MMIC设计与优化提供了准确的大信号可缩放模型,同时为大栅宽器件及其模型研究提供了一定的指导作用。
张凯[7]2014年在《高铝组分氮化物异质结新结构与新器件研究》文中研究说明III族氮化物半导体因出色的材料特性以及在高温、高频、大功率应用的潜力已成为目前半导体领域的研究热点。得益于材料外延技术的进步、器件制备工艺的成熟以及器件结构的不断创新,氮化物器件在性能与商业化方面都取得了巨大进步。为突破常规AlGaN/GaN异质结的局限,新型高铝组分氮化物异质结成为了近几年的研究焦点。由于更宽的禁带、更强的极化效应等优势,其在多方面已显示出超越成熟的GaN基HEMT器件的能力。本文正是基于新颖的异质结结构进行器件的设计与优化,试图将先进的结构与器件设计相结合,探索适合高压、高频应用的器件。主要研究工作和成果如下:1、高功率增益场板结构和栅结构的研究。结合理论仿真与实验研究了源场板长度、介质厚度等因素对常规双场板器件功率增益的影响。研究表明源场板能够有效地屏蔽栅漏反馈电容,增强器件的功率增益和稳定性。场板长度对增益的增加呈现饱和趋势,而场板下的介质越薄,增益越高。提出一种新型单层栅、源双场板器件,特点为:击穿特性非常类似于传统栅场板器件,但功率增益却因源场板的存在而显着提高,栅、源场板的间距对电场和功率增益的调制有决定性作用。通过工艺优化,制备了场板间距为0.4?m的新型栅、源双场板器件,功率增益提高了2.4dB。并成功地将高增益双栅器件引入到氮化物半导体中,其功率增益的提高达5.0dB,且稳定工作频率范围更宽,我们认为这是毫米波应用的理想器件结构。成功地研制了先进的倾斜栅器件,倾斜槽栅结构中线性缓变的栅侧墙能够均匀化栅附近的电场,降低电场峰值,极大地抑制器件反向栅泄漏电流和电流崩塌效应。2、研究了典型的高铝组分薄势垒层GaN/Al0.65Ga0.35N/AlN/GaN异质结HEMT器件的基本特性。由于薄的势垒层,器件表现为增强型工作,并具有较好的直流特性、超低的漏至势垒降低效应(仅为3.3mV/V)、低的栅泄漏电流、良好的电流崩塌和击穿特性;在栅长为0.5μm情况下,fT和fmax分别为11.6GHz和27.2GHz,显示出高铝薄势垒层在抑制短沟道效应以及高频领域的优势。3、创新地对高K介质Al2O3、La2O3和叁元材料La2-xAlxO3与GaN的能带对准特性进行了系统研究。从La2O3介质过渡到Al2O3介质,介质的禁带宽度、与GaN的导带差和价带差都呈现增加趋势。此外,介质一侧的能带弯曲表明,La2O3在GaN表面引入负固定电荷,Al2O3引入正固定电荷,La2-xAlxO3(x=1左右)基本不引入电荷。基于能带研究结果,设计并制作了高性能15nm Al2O3/La2-xAlx O3/Al2O3迭层栅介质MOS-HEMT器件,其饱和输出电流达到HEMT器件的2倍,为1367mA/mm,正反向栅电流得到显着抑制,而跨导与增益退化明显低于Si3N4介质,缓和了漏电与增益的折衷问题。4、增强型器件的探索实现。探索出一种O2等离子体注入制备高铝组分薄势垒增强型器件技术。器件的阈值电压为+1.02V,最大跨导230mS/mm,尤其是亚阈值摆幅仅有70mV/Dec,并具有一定的阈值可控性优势。联合多种测量手段揭示出阈值电压调制的主要机制为势垒层的部分氧化,而势垒层应力的变化以及微弱的刻蚀作用也对阈值电压调制起到一定作用。研制出高性能O2等离子体处理迭层栅MOS-HEMT器件,器件表现出更高的最大工作栅压和优异的直流特性,比开态电阻为0.88mΩ·cm2,击穿电压在480V以上。5、为降低等离子体对沟道的损伤,提出了一种新的氟注入栅介质的方法代替传统氟离子注入增强型器件的制备工艺,利用介质内氟离子强的电负性调节阈值电压,获得了高性能的增强型器件,器件的阈值电压为+0.50V,IDS,max=916mA/mm,Gm,max=342mS/mm,其输出电流接近于常规耗尽型器件的值(~1A/mm),这个结果的综合指标在国际上属最优的,显示了F注入栅介质高铝组分势垒层增强型器件在微波毫米波常关应用和高速耗尽型/增强型器件集成电路等方面有大的潜力。6、探索制备了新型Al0.83In0.17N/AlN/Al0.05Ga0.95N异质结增强型器件。采用氟注入加槽栅刻蚀复合技术以及O2等离子体处理两种方法实现正向调节阈值电压。通过改进欧姆工艺,克服了高铝组分势垒层/沟道层异质结欧姆制作的困难,得到的接触电阻仅有0.12Ω·mm。两种器件的阈值均在0.50V左右,由于更大带宽的AlGaN层作为缓冲层,器件呈现出非常优越的亚阈值特性,其中O2等离子体处理器件的亚阈值摆幅仅有82mV/Dec。进一步,研制了AlGaN沟道MOS-HEMT器件,阈值电压增加到1.55V,最大电流为254 mA/mm,还具有良好的关态漏电和击穿特性。应当注意的是,本文得到的Al0.05Ga0.95N沟道Al0.83In0.17N基增强型器件的研究结果在国际上尚属首次。本文研究表明,先进的异质结结构、器件制备技术与器件结构叁者相辅相成,共同促进氮化物器件性能的持续提高。
汤岑[8]2016年在《增强型高压AlGaN/GaN HEMTs器件的场优化技术及关键工艺研究》文中提出Ⅲ-Ⅴ族化合物材料氮化镓相比于硅材料具有更大的禁带宽度、更高的击穿场强,是第叁代半导体材料中的杰出代表。不同于传统硅基半导体器件,基于氮化镓材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管,利用氮化镓异质结中的极化效应,在异质结界面获得具有高电子浓度、高电子迁移率以及高饱和电子漂移速度的横向电子沟道实现器件的导通。这些优异的电学特性决定了 AlGaN/GaNHEMTs器件在高频、高压以及高功率密度的功率半导体器件领域存在巨大的产业潜力。尽管AlGaN/GaNHEMTs在功率半导体领域具有广泛的产业前景,但现阶段应用在电力电子器件领域的AlGaN/GaNHEMTs仍存在着诸多技术性问题。由于平面型结构的AlGaN/GaNHEMTs需要通过横向的漂移区来承受器件的阻断耐压,因而如何通过电场优化,使器件在有限的漂移区长度内实现高耐压,是AlGaN/GaNHEMTs器件设计中的重要课题。为此,全球科研与产业界提出了一系列基于电场优化调制的结构与工艺优化设计。但迄今为止,国内外学者对于AlGaN/GaNHEMTs的耐压优化结构缺乏较为系统的数值模拟与理论分析,因而对于高压AlGaN/GaNHEMTs的产业化推广具有较低的实际指导价值。同时,AlGaN/GaN异质结结构存在天然导电二维电子气沟道,造成传统AlGaN/GaN HEMTs具有耗尽型(Depletion-Mode)的器件开关特性。因而如何实现与传统电力电子器件栅极驱动系统相兼容,且具有一定正阈值电压的增强型(Enhancement-Mode)AlGaN/GaN HEMTs器件,是AlGaN/GaN HEMTs被传统电力电子行业广泛接受的先决条件。尽管国内外学者提出了一系列实现增强型AlGaN/GaNHEMTs的结构和工艺方法,但现有的增强型AlGaN/GaNHEMTs实现方案均未能满足产业界对于稳定、低成本,且具有高阈值电压的增强型器件的需求。本文针对现有氮化镓功率器件在高压电场优化与增强型器件实现方法所存在的问题进行研究并展开设计优化与工艺研发,主要内容为:1)通过数值分析软件建立氮化镓AlGaN/GaN肖特基二极管(SBD,Schottky Barrier Diode)的二维仿真模型。引入优化的单层阳极场板与沟道下方的Mg掺杂(Magnesium Doped)电荷补偿层相结合,通过调整阳极场板的尺寸参数与Mg掺杂层的浓度与厚度参数,使器件在反向耐压时对二维电子气沟道以及体区内的可移动电子充分耗尽,并对器件的表面横向电场与体内纵向电场分布进行二维优化调制。实验中,采用高度T=0.5μm,长度L=3μm的阳极金属场板与厚度TP=0.28 μm,掺杂浓度为Np= 1×1017 cm3的Mg掺杂层的AlGaN/GaNSBD,在10.5μm的漂移区长度上获得1.8kV的反向耐压,相比于无电场优化传统器件的350V的反向耐压,提高了 4倍;相比仅采用优化阳极金属场板器件1.2kV的反向耐压,提高了 50%。2)提出了基于漏极金属界面优化与表面电场调制机理的新型肖特基/欧姆混合金属的漏极结构。通过将传统的欧姆接触漏极金属替换为肖特基/欧姆接触混合漏极金属,实现了器件阻断状态下漏极泄漏电流的有效抑制和器件耐压的显着提升。采用优化的肖特基/欧姆接触混合漏极金属的AlGaN/GaNHEMTs在9μm的漂移区上获得了 855 V的阻断耐压,相比于采用传统欧姆漏极金属的同尺寸HEMTs器件的450V阻断耐压,提高了 90%。进一步对优化后器件的泄漏电流抑制机理进行研究,并通过物理模型与二维TCAD仿真进行表征与验证。3)提出了在硅基氮化镓外延上通过高温热氧化的栅极凹槽刻蚀方法,获得具有较高阈值电压的增强型氮化镓MOS-HEMT器件。该方案利用氮化镓异质结结构的上下两层材料氧化反应的温度条件差异,在氧气环境中选择性地对AlGaN势垒层进行完全氧化,并使氧化反应自发停止于AlGaN/GaN的异质结界面位置。实验中,采用该方案的氮化镓MOS-HEMTs器件最终获得了+ 2.5V的阈值电压,+10V的栅极摆幅与200mA/mm的最大输出电流。同时,针对热氧化方法实现的硅基氮化镓MOS-HEMT器件工艺中存在的栅极凹槽刻蚀底部不均匀现象进行方案优化。将用于腐蚀AlGaN氧化生成物的KOH溶液替换为TMAH有机碱性溶液,利用其对AlGaN材料特有的侧向腐蚀机理,有效降低由于热氧化不均匀造成的栅极凹槽底部粗糙现象,从而获得具有高质量MOS界面的硅基氮化镓MOS-HEMT器件。采用该优化方案的硅基氮化镓MOS-HEMT,具有+2.5 V的阈值电压和低于0.2 V的转移特性偏移,相比于未优化方案器件的0.9 V偏移量,降低了 77%。同时由于优化后的MOS栅极凹槽具有更致密的氧化绝缘层覆盖,有效抑制了栅极泄漏电流,因而使器件在14 μm的漂移区获得了 930 V的击穿电压,相比未优化器件的580 V,提升了 60%。4)针对硅基氮化镓热氧化工艺中由于氧化反应各向异性较差而产生的栅极凹槽锯齿边缘现象,提出了基于KOH与H2O2混合溶液的栅极凹槽单步湿法刻蚀工艺。该方案中,通过混合溶液中同步进行的H2O2对AlGaN势垒层的氧化反应与KOH对氧化生成物的湿法腐蚀,自发实现了对AlGaN势垒层的不断刻蚀。通过对反应速率的精确控制,最终获得了具有良好刻蚀界面和刻蚀边缘的MOS栅极凹槽形貌。采用该方案制备的硅基氮化镓MOS-HEMT器件具有+3 V的阈值电压、极低的转移特性偏移量和栅极泄漏电流。实验获得的硅基氮化镓MOS-HEMT器件在28 μm的漂移区长度上实现了近250 mA/mm的最大输出电流与1.5 kV的阻断耐压。该方案具有工艺方法简单、稳定性高和工艺成本低等优势,为硅基氮化镓MOS-HEMT器件的商业化生产提供了一种全新的思路。
余乐[9]2015年在《X波段GaN MMIC功率放大器设计》文中提出GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)具有高功率密度、高击穿电压、高输出功率等优良特性,被认为是下一代微波功率器件极具潜力的候选者,成为近年来研究的热点。基于GaN HEMT研制的单片微波功率放大器具有高输出功率、高工作电压、频带宽等特点,已经广泛用于相控阵雷达,无线通讯技术和航空航天等领域中。本论文针对AlGaN/GaN HEMT功率器件以及GaN MMIC功率放大器的设计进行了深入研究,实现了一款X波段两级GaN MMIC功率放大器,主要的研究内容和成果如下:1.基于实验室自主研制的AlGaN/GaN HEMT器件,分析了GaN HEMT器件的基本理论,并对器件的性能进行了测试和分析,建立了该器件的小信号等效电路模型,为验证此模型,获得了S参数的测试结果和模型仿真结果,此二者的吻合度较高,表明采用的22元件小信号模型精确、稳定而且物理意义明确。2.研究了GaN MMIC功率放大器的主要性能指标和设计原理,采用了S参数结合LoadPull测试结果的综合设计方法,解决了GaN HEMT微波功率放大器设计中晶体管无成熟大信号模型的问题,为电路的设计提供了技术支持。3.总结了GaN MMIC功率放大器的设计流程和拓扑结构,设计实现了一款具有平坦增益的两级GaN MMIC功率放大器。采用低通匹配网络设计,使放大器输入输出匹配到50?,最终的电磁场仿真结果表明,该电路在9.0-10.2GHz工作频率范围内小信号增益S21为23(?)0.5dB,输入反射系数S11小于-8dB,输出反射系数S22小于-6dB,且该电路在全频带内的仿真稳定因子显示其具有良好的稳定性。最后对微带线进行了合理的布局,画出了相应的版图结构,并依据实验室现有的工艺水平,提出了实现MMIC功率放大器的工艺方法,并对相关工艺的关键点进行分析。
闻彰[10]2018年在《微波GaN HEMT大信号模型参数提取研究》文中研究表明氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMTs)因其工作频率高、输出功率密度大、效率高等特点,已成为目前微波功率器件的研究热点,并广泛应用于雷达、通信等电子系统。微波GaN HEMT器件的大信号模型是电路设计的前提,并且对提高电路性能、优化器件工艺和结构具有重要的指导作用。然而,目前GaN HEMT大信号等效电路模型多为经验基和半经验基模型,为了表征器件显着的自热效应、陷阱效应、高低温效应等,通常包含大量拟合参数,导致模型参数提取难度大、建模周期长、无法适应工艺的不断更新和改进。因此,为了提高建模效率、缩短器件和电路的研制周期、充分发挥GaN器件的优势、推动GaN器件和电路的进一步发展,亟需研究GaN HEMT大信号模型参数快速提取方法。本文针对国产微波GaN HEMT器件,深入研究了经验基大信号模型的快速参数提取方法、新兴准物理大信号模型和大信号统计模型的建模及参数提取方法,主要研究内容包括:1.GaN HEMT小信号模型参数提取方法研究。针对小信号模型参数提取中外层寄生元件误差累积会降低内层寄生元件提取精度的问题,提出了一种提取寄生参数的迭代算法。该算法每次迭代使用比前一次更准确的外层寄生元件值进行去嵌和提取内层寄生元件,从而逐步消除外层寄生元件的误差累积对内层寄生元件提取精度的影响,最终使所有寄生元件值收敛于最优解。0.25μm工艺GaN HEMT器件的验证结果表明,通过十次以内的迭代可将0.1~40 GHz的S参数误差降低40%,有效提高了小信号建模的精度。2.GaN HEMT经验基大信号模型参数提取方法研究。针对GaN HEMT自热效应、陷阱效应复杂,漏源电流I_(ds)模型参数提取步骤繁琐、难度大等问题,提出了一种解析的流程化参数提取方法。该方法首先根据模型参数的意义对表征自热效应、陷阱效应的参数进行分块,再通过最小二乘拟合不同静态偏置点的脉冲I-V转移特性曲线提取各分块的参数,从而实现了分步、解析地提取I_(ds)模型的每一个参数。在Angelov模型的应用结果表明,采用该方法提取的大信号模型能够准确模拟器件的直流I-V、多静态偏置脉冲I-V、多偏置S参数、阻抗等特性,大信号模型在X和Ku波段的输出功率和功率增益精度大于95%,功率附加效率精度大于90%。所提出的大信号模型参数提取方法嵌入了自主研发的“微波器件建模与分析软件”,极大提高了大信号模型参数提取的效率,实现了GaN HEMT经验基大信号模型参数的高效率全自动提取。3.基于区域划分的GaN HEMT准物理大信号模型及参数提取研究。GaN HEMT新兴物理基等效电路模型与Angelov等经验模型相比,包含更少的拟合参数,具有明确的物理意义,能够指导器件结构优化,然而现有的新兴物理基等效电路模型存在精度不足、收敛性欠佳等问题。本文提出了一种基于区域划分的准物理(Quasi-Physical Zone Division,QPZD)大信号模型,结合区域划分方法和表面势理论,突破了GaN HEMT器件自热效应、高低温效应和陷阱效应的准确解析建模。0.15μm工艺不同栅宽GaN HEMT器件的验证结果表明,所建立的模型能够准确模拟器件大信号功率、效率、增益、叁阶交调、阻抗等特性。该模型进一步在Ka波段功放单片电路设计中进行了验证,结果表明,在32~38 GHz的频率范围内,模型的输出功率和功率附加效率精度均大于94%,推进了物理基大信号模型的工程化应用。本文提出的模型与Angelov经验模型相比拟合参数数量减少了55%,与最新报道的物理基表面势模型相比参数数量减少了20%,并具有收敛性好、物理意义明确等优点。4.微波GaN HEMT全物理参数大信号统计模型及参数提取研究。针对现有的GaN HEMT经验基统计模型存在拟合参数过多、过度依赖器件测试和参数提取方法等问题,本文基于QPZD模型提出了一种全物理参数大信号统计模型建模方法,所建立的统计模型包含势垒层厚度、电子饱和速度、电子面密度和临界电场等物理参数。该方法结合了主成分分析和因子分析方法,并能够避免从原始数据集中丢失信息,所建立的统计模型能够准确模拟GaN HEMT器件物理参数的均值、方差、相关性,以及器件电流、跨导、夹断电压等性能指标的概率密度,可直接用于工艺参数分析。进一步地,该统计模型在32~38 GHz功放单片电路设计中的验证结果表明,输出功率和效率均值的精度大于95%。该统计模型既可用于从物理上统计分析工艺波动对器件性能的影响以改善器件工艺和稳定性,还可集成于大信号模型中用于电路设计的成品率分析,对推进工艺-电路协同设计具有较高的指导意义。
参考文献：
[1]. AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管的研制与特性分析[D]. 王冲. 西安电子科技大学. 2006
[2]. 大功率AlGaN/GaN HEMT关键制作工艺的研究[D]. 唐广. 清华大学. 2004
[3]. 氮化物MIS-HEMT器件界面工程研究[D]. 祝杰杰. 西安电子科技大学. 2016
[4]. 10Gb/s单片OEIC光接收机及限幅放大器的研制[D]. 范超. 电子科技大学. 2009
[5]. Si基高频场效应晶体管特性仿真及工艺研究[D]. 田学东. 中北大学. 2013
[6]. 微波毫米波GaN HEMT大信号模型研究[D]. 汪昌思. 电子科技大学. 2016
[7]. 高铝组分氮化物异质结新结构与新器件研究[D]. 张凯. 西安电子科技大学. 2014
[8]. 增强型高压AlGaN/GaN HEMTs器件的场优化技术及关键工艺研究[D]. 汤岑. 浙江大学. 2016
[9]. X波段GaN MMIC功率放大器设计[D]. 余乐. 西安电子科技大学. 2015
[10]. 微波GaN HEMT大信号模型参数提取研究[D]. 闻彰. 电子科技大学. 2018