多台面型栅结构AlGaN_GaNHEMT的开发
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GaN基HEMT材料及器件研究的开题报告一、选题背景高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种应用广泛的高频器件,由于它具有高增益、高速度、低噪声等优点,在通信系统、雷达、卫星通信等领域得到了广泛应用。
GaN基HEMT作为一种新型的高频器件,具有更高的增益、更高的工作频率和更低的噪声系数等优点,因此在新一代无线通信技术和雷达系统中具有重要的应用前景。
二、研究内容本课题拟从以下几个方面开展研究:1、GaN基HEMT材料制备:通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺在GaN 衬底上生长AlGaN/GaN异质结构,制备GaN基HEMT材料。
2、GaN基HEMT器件结构设计与制备:设计合适的HEMT器件结构,包括源漏结电极、栅电极、衬底接地等,制备GaN基HEMT器件。
3、器件性能测试:对制备的GaN基HEMT器件进行性能测试,包括暂态响应、频率响应、微波功率输出等测试,分析该器件的特点和性能。
4、器件应用研究:对GaN基HEMT器件在通信系统和雷达系统中的应用进行研究,探索其在这些领域中的应用效果和应用前景。
三、研究意义1、GaN基HEMT作为一种新型的高频器件,在通信系统和雷达系统中具有广阔的应用前景。
2、通过研究GaN基HEMT材料制备、器件结构设计与制备、器件性能测试以及器件在通信系统和雷达系统中的应用等方面,可以更加深入地了解GaN基HEMT的特点和性能,为其进一步的应用和发展提供理论和实验依据。
3、本研究对推动我国相关产业技术升级,提高我国技术创新能力和竞争力具有积极意义。
四、研究进度安排第一年:学习相关理论知识,了解GaN基HEMT的发展现状和存在问题,制备GaN基HEMT材料并进行性能测试。
第二年:进行GaN基HEMT器件结构设计,制备GaN基HEMT器件并进行性能测试。
第三年:进行GaN基HEMT器件在通信系统和雷达系统中的应用研究,撰写论文并进行答辩。
五、可行性分析本课题的研究目标具有实现可行性,主要依据如下几点:1、GaN基HEMT材料和器件制备技术已经比较成熟,可以成功实现。
AlGaN/GaN微波功率高电子迁移率晶体管(HEMT)新结构新工艺研究的开题报告一、选题背景微波功率高电子迁移率晶体管(HEMT)是近年来发展较快的一种功率器件,其在高频率、高功率、低噪声等方面具有优异的性能,已广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。
其中,AlGaN/GaN HEMT因其具有高电子迁移率、高应力场、宽禁带宽和良好的退化稳定性等特点而备受关注。
在传统AlGaN/GaN HEMT的结构中,通常采用Si或SiC衬底,但这种衬底的导热性能、热稳定性和生长质量等方面均存在一些问题。
为了克服这些问题,近年来出现了一些新的AlGaN/GaN HEMT结构和工艺,如采用氮化硼(BN)衬底、采用二氧化硅(SiO2)隔离层、采用超晶格等。
这些新结构和新工艺对于AlGaN/GaN HEMT的性能提升、工艺优化和应用拓展具有重要意义。
二、研究目的本研究的目的是探讨AlGaN/GaN HEMT的新结构和新工艺对器件性能的影响,以期为AlGaN/GaN HEMT的进一步应用和发展提供技术支持。
具体目标如下:1. 设计和优化AlGaN/GaN HEMT的新结构,包括采用氮化硼(BN)衬底、采用二氧化硅(SiO2)隔离层、采用超晶格等。
2. 分别采用气相外延(MOVPE)和分子束外延(MBE)工艺生长AlGaN/GaN HEMT的新结构。
3. 测试、比较和分析不同结构和工艺条件下AlGaN/GaN HEMT的电学性能,如电流-电压(I-V)特性、传输线模型(TLM)测试、微波特性、噪声特性等。
三、研究方法本研究采用实验研究方法,分为设计和优化结构、生长和制备样品、测试和分析性能等三个阶段。
具体方法如下:1. 设计和优化AlGaN/GaN HEMT的新结构,采用模拟软件进行仿真分析和优化。
2. 分别采用气相外延(MOVPE)和分子束外延(MBE)工艺生长AlGaN/GaN HEMT的新结构样品。
3. 利用测试设备测量、比较和分析不同结构和工艺条件下AlGaN/GaN HEMT的电学性能,如电流-电压(I-V)特性、传输线模型(TLM)测试、微波特性、噪声特性等。
AlGaNGaN MOS-HEMT器件特性研究的开题报告一、研究背景氮化镓(GaN)材料以其高的电子迁移率、高的电场承受能力、高的热稳定性等特点已成为高功率和高频电子器件领域的研究热点。
在GaN材料中,掺杂铝(Al)和氮(N)构成AlGaN复合材料,可有效提高电子迁移率和抑制杂质杂质散射等问题,具有广泛的应用前景。
其中,AlGaN MOS-HEMT器件具有低噪声、低失真、高速度等特性,被广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。
二、研究内容本课题旨在深入研究AlGaN MOS-HEMT器件的特性,包括静态和动态特性,进一步提高其性能和应用领域。
具体研究内容包括:1. 研究不同AlGaN MOS-HEMT器件的特性参数,如门极电流、截止频率、噪声指数等。
2. 研究AlGaN MOS-HEMT器件的空间电荷限制特性,确定最大电场强度。
3. 研究AlGaN MOS-HEMT器件的温度特性,分析其热稳定性能。
4. 比较不同制备工艺对AlGaN MOS-HEMT器件管控能力的影响,确定最佳工艺。
三、研究方法本课题主要采用实验研究法,通过制备不同参数的AlGaN MOS-HEMT器件,测试其性能参数,并对结果进行比对和分析。
同时,采用场效应管(FET)结构模拟软件,模拟不同制备工艺对AlGaN MOS-HEMT器件的影响。
最后,进一步将实验结果与理论模拟结果相结合,制定合理的工艺方案。
四、研究意义本课题开展AlGaN MOS-HEMT器件特性研究,对拓展高功率和高频电子器件的应用领域具有重要意义。
同时,研究结果可为推动我国电子器件行业技术水平提高、提高我国电子产业的核心竞争力奠定基础。
《AlGaN-GaN MOS(MIS)HEMT中电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性》篇一AlGaN-GaN MOS(MIS)HEMT中电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性AlGaN/GaN MOS(MIS)HEMT中的电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性的研究一、引言AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,简称HEMT)作为一种重要的半导体器件,广泛应用于高频、高功率和射频等领域。
其中,电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性是评价HEMT性能的重要指标。
本文将就AlGaN/GaN MOS (Metal-Insulator-Semiconductor HEMT)结构中电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性的相关研究进行详细阐述。
二、AlGaN/GaN MOS HEMT结构及工作原理AlGaN/GaN MOS HEMT是一种利用AlGaN/GaN异质结界面处二维电子气(2DEG)的半导体器件。
其基本结构包括n型GaN沟道层、AlGaN势垒层以及位于AlGaN层上的绝缘层和金属栅极。
在工作过程中,通过栅极电压的控制,实现2DEG的开启与关闭,从而控制电流的传输。
三、电子迁移率的研究电子迁移率是衡量半导体材料中电子运动能力的物理量,对于HEMT器件的性能具有重要影响。
在AlGaN/GaN MOS HEMT中,电子迁移率受到材料质量、界面质量以及外加电场等多种因素的影响。
首先,材料质量是影响电子迁移率的关键因素。
高质量的GaN和AlGaN材料具有较低的缺陷密度,有利于提高电子迁移率。
此外,界面质量也对电子迁移率产生重要影响。
界面处的粗糙度、氧化物层等都会影响2DEG的形成和传输,从而影响电子迁移率。
其次,外加电场对电子迁移率也有显著影响。
在HEMT器件中,通过施加适当的栅极电压,可以调整2DEG的分布和密度,从而优化电子迁移率。
此外,温度也是影响电子迁移率的重要因素。
随着温度的升高,电子迁移率会受到散射机制的影响而降低。
GaNHEMT⼯作原理与 GaAs HEMT器件⼯作原理类似, GaN HEMT在禁带宽度更⼤的 AlGaN层与禁带宽度稍⼩的GaN层之间形成了异质结,其能带图如图1所⽰。
为了达到热平衡,电⼦从 AIGaN材料流向了GaN 层,并被限制在GaN层的界⾯处(导带不连续形成的量⼦阱),从⽽形成了能够从源极向漏极运动的2DEG。
由于电⼦与它们的电离施主在空间上是隔离的,所以2DEG的电⼦迁移率较⾼(约2000cm2/(V·s)),其浓度主要受栅极电压的控制,⽽不是在沟道中植⼊或扩散施主或受主离⼦,故GaN HEMT也被称为调制掺杂FET( MODFET)。
图1 AlGaN/ GaN HEMT能带结构⽰意图GaN HEMT中的2DEG的形成与材料的极化效应有关。
图2为Ga⾯(0001)和N⾯(000Ī)⽣长的GaN结构⽰意图和极化特性。
虽然N⾯GaN具有更⼩的接触电阻,但其击穿电压⽐Ga⾯GaN更低,并且Ga⾯GaN有更均匀和平坦的异质结界⾯特性,所以Ga⾯GaN在功率器件中得到更⼴泛的应⽤。
图2 GaN晶体⽣长⽅向(Ga⾯和N⾯)结构⽰意图和极化效应AlGaN/ GaN HEMT中存在两种极化效应:⾃发极化(P SP)和压电极化(P PE)(如图2(b)所⽰)。
在Ⅲ-N族化合物共价键中,由于N原⼦最外层轨道没有电⼦占据,所有的电⼦被吸引到N原⼦⼀侧,内部原⼦核与外部电⼦间的强库仑引⼒形成了⾮对称的纤维锌矿GaN晶体结构,故引起了⾃发极化效应。
压电极化效应是由不同材料间晶格常数失配产⽣的外部应⼒引起的。
因此,在AlGaN/GaNHEMT器件中,两种极化效应的共同作⽤,在异质结界⾯处产⽣了净极化电荷,从⽽形成了2DEG,其⾯电荷密度( σsheet)可由极化电场强度公式计算得到:σsheet(x)=(P SP+P PE)Al x Ga1-x N-(P SP)GaN (1)其中,P SP是由晶体结构参数决定的⾃发极化强度,P PE是由结构参数和压电极化系数决定的压电极化强度。
AlGaN/GaN MOS-HEMT器件特性研究的开题报告一、研究背景及研究意义:随着物联网、5G通信等应用的迅猛发展,对高功率、高频率、高温、抗辐照等性能要求极高的微波射频器件越来越受到关注。
而AlGaN/GaN MOS-HEMT作为一种新型的微波射频场效应晶体管,具有高迁移率、高电子饱和漂移速度、高切换速度,且具有良好的抗辐照性、热稳定性等特点,成为了当前微波射频器件研究的热点之一。
二、研究内容:本文拟研究AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的相关特性,主要包括以下方面:1、AlGaN/GaN MOS-HEMT器件结构设计与工艺制备;2、AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的基本电学参数测试及分析,如漏电流、栅氧层厚度对器件特性的影响等;3、AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的高频性能测试与分析,如S参数测试、增益、噪声等性能;4、AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的热稳定性能测试,以及辐照等环境下的性能测试与分析。
三、研究方法:本文将采用以下研究方法:1、光刻、干法刻蚀、真空沉积等工艺技术制备AlGaN/GaN MOS-HEMT器件;2、使用Kelvin探针测试系统和LRC测试系统等设备对器件的漏电流、栅氧层厚度等基本电学参数进行测试,并分析其对器件特性的影响;3、使用矢量网络分析仪等测量设备对AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的高频性能进行测试,并分析其增益、噪声等性能;4、采用温度环境箱等测试设备对AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的热稳定性能进行测试,并使用辐照设备等对器件的抗辐照性能进行测试与分析。
四、研究预期结果:通过对AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的结构设计、工艺制备和性能测试等方面进行研究,预期可以获得以下研究成果:1、成功制备、优化AlGaN/GaN MOS-HEMT器件结构和工艺,并获得良好的器件性能;2、分析了栅氧层厚度等因素对器件特性的影响;3、获得AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的高频性能,例如S参数、增益、噪声等的测试结果;4、分析AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的热稳定性、辐照环境下的性能表现,并探究其运用于微波射频器件领域的潜力和前景。
氮化镓材料特性及AlGaN/GaN HEMT器件工作原理发布时间:2022-06-22T01:24:39.066Z 来源:《中国科技信息》2022年2月第4期作者:杨明越肖燕林春凤[导读] 具有宽带隙、高电子饱和速度和高击穿电压等良好特性的氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料——宽禁带半导体材料之一杨明越肖燕林春凤中国振华集团永光电子有限公司摘要:具有宽带隙、高电子饱和速度和高击穿电压等良好特性的氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料——宽禁带半导体材料之一,推动微电子领域和光电子学领域向前迈出了极为重要和有重大意义的一步,而以GaN材料制造的功率半导体器件AlGaN/GaN HEMT器件对半导体器件领域的发展也有着极其重大的影响。
本文概述了GaN材料的基本特性以及AlGaN/GaN HEMT 器件的工作原理。
氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料——宽禁带半导体材料之一,具有许多良好的特性,使得氮化镓材料成为推动光电子、高温大功率器件和高频微波器件不断向前发展的重要材料。
GaN材料使得光电子学方向有了许多突破性进展。
如:蓝光LED、CW蓝光激光器、GaN紫外探测器等。
GaN材料的优势主要有以下几个方面:(1)禁带宽度比较大GaN的禁带宽度高达3.4eV,大约是第一代半导体材料Si的3倍,第二代半导体材料GaAs的2.4倍;抗辐照能力也远远大于Si和GaAs。
所以GaN基宽禁带半导体器件对于推动空间科学和技术领域的发展有着极其重要的作用。
又因为 GaN材料本征载流子浓度很低,在一定的温度范围内,能够较为精准的控制自由载流子的浓度,所以GaN基宽禁带半导体器件在高温条件下仍然具有稳定性。
(2)相对介电常数较低GaN材料的相对介电常数是9.8,比之第一代半导体材料Si低了1.6,更是第二代半导体材料GaAs低了3.3左右。
电容C与介电常数ε的关系:C=εS/4πkd,电容与介电常数成正比;所以在掺杂浓度和外加电压相同的情况下,GaN材料构成的PN结电容比Si和GaAs都小,更适用于高频。
中国科学 E辑 : 技术科学 2009年第 39卷第 1期 : 119 ~ 123 119《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS增强型 AlGaN/GaN槽栅 HEMT 研制与特性分析郝跃 , 王冲 *, 倪金玉 , 冯倩 , 张进城 , 毛维西安电子科技大学微电子研究所 , 宽禁带半导体材料与器件重点实验室 , 西安710071 * 联系人 , E-mail: wangchong197810@ 收稿日期 : 2007-11-15; 接受日期 : 2008-03-20 国家自然科学基金资助项目 (批准号 : 60736033摘要成功研制出蓝宝石衬底的槽栅增强型 AlGaN/GaN HEMT. 栅长 1µm, 源漏间距 4 µm, 槽深 10 nm的器件在 1.5 V栅压下饱和电流达到 233mA/mm, 最大跨导 210 mS/mm, 阈值电压为 0.12 V, 器件在 500℃ N2气氛中 5 min 退火后阈值电压提高到 0.53 V. 深入研究发现 , 当器件槽深 15 nm时 , 相比槽深 10 nm器件饱和电流和跨导有所减小 , 但阈值电压从 0.12 V提高到 0.47 V. 利用不同刻蚀深度 AlGaN/GaN异质结的 C -V 特性 , 深入研究了阈值电压、栅控能力与刻蚀深度的关系 .关键词增强型高电子迁移率晶体管 AlGaN/GaN 槽栅阈值电压AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管 (HEMT在高温器件及大功率微波器件方面已显示出得天独厚的优势[1~2], 追求器件高频率、高压、高功率特性吸引了众多人进行研究 . 近年来 , 由于高压开关和高速电路的驱动 , GaN增强型器件成为关注的又一研究热点 . 由于 AlGaN/GaN异质结生长完成后 , 异质结界面就存在大量二维电子气 (2DEG, 当材料制作成器件加负栅压后才能将2DEG 耗尽而使沟道夹断 , 即常规 AlGaN/GaN HEMT为耗尽型器件 . 但在数字电路、高压开关等领域应用时需要增强型器件 , 确保只加正栅压才有工作电流 . Lanford等人 [3]采用刻蚀掉 AlGaN/GaN异质结的一部分 AlGaN 层制作槽栅结构 , 利用肖特基结对 2DEG 的耗尽作用来实现增强型器件 ; Wang等人 [4]采用对栅区域注入 F 离子的方法也实现了增强型器件 ; Liu等人 [5]采用AlInGaN/GaN异质结也实现了非槽栅的增强型器件 . 本文报道了成功研制的新型槽栅增强型 AlGaN/GaN HEMT特性 , 并分析了栅槽的深度和高温退火对器件特性的影响 .1 增强型器件的实现采用 MOCVD 方法在蓝宝石衬底基片 (0001面上外延生长了 AlGaN/GaN异质结 . 蓝宝石衬底厚度为 330 µm, 材料层结构由下而上依次为 : 3 µm 未掺杂 GaN 外延层 ; 5 nm未掺杂 AlGaN 隔离层 ; 12 nm Si掺杂 AlGaN 层 (Si掺杂浓度 2×1018 cm −3; 5 nm未掺杂 AlGaN 帽层 . PL谱测量后计算得到的 AlGaN 层 Al 组份为27%(Al0.27Ga 0.73N. Hall效应测量显示 , 室温下蓝宝石衬底上生长的材料的2DEG 电子迁移率 µn 和面密度 N s 分别为 1267 cm2/Vs和1.12×1013 cm −2. 研制的增强型 HEMT 的材料结构如图 1所示 , 它的材料结构与耗尽型结构是完全兼容的 .器件台面隔离采用 ICP 干法刻蚀 , 刻蚀深度为150 nm, 刻蚀速率为 100 nm/min; 源漏欧姆接触采用 Ti/Al/Ni/Au(30/180/40/60 nm850℃ N 2中退火 . 在做好栅掩模后采用 ICP 干法刻蚀栅槽 , 选择了 10和 15nm 两个栅槽深度 , 刻蚀速率为 0.1 nm/s, 刻蚀偏压为50 V. 做完栅槽刻蚀后立即进行栅金属蒸发 , 栅金属郝跃等 : 增强型 AlGaN/GaN槽栅 HEMT 研制与特性分析120图 1 增强型 AlGaN/GaN槽栅 HEMT 结构图采用 Ni/Au(30/200 nm. 制备的 AlGaN/ GaNHEMT栅长为 1 µm, 栅宽为 100 µm, 源漏间距为 4 µm, 栅处于源漏间正中央 . 肖特基 C -V 测试结构内外环直径分别为 120和 200 µm, TLM结构宽度为 100 µm, 两测试结构都与 HEMT 在同一片材料上制作 , 并规则的分布于器件周围 , TLM计算得到接触电阻 Rc 为 0.63 Ω ·mm, 比接触电阻1.2×10−5 Ω ·cm 2. 使用 HP4156B 精密半导体参数测试仪测试了器件直流特性 , C -V 测试采用 Keithley 590 C -V 分析仪进行 .2 结果和讨论在漏偏置电压为 5 V下 , 我们对未刻蚀栅槽的耗尽型 HEMT 与槽深分别为 10和 15 nm的增强型HEMT 进行了转移特性测试 , 如图 2所示 . 从图 2可以明显的看出器件在刻蚀栅槽后阈值电压向正方向移动 , 未刻蚀栅槽时阈值电压为−2.2 V, 在刻蚀栅槽为10 nm时阈值电压为 0.12 V, 在刻蚀栅槽为 15 nm时阈值电压为 0.47 V. 刻蚀栅槽后 , 由于 AlGaN 层的厚度减薄 , AlGaN/GaN异质结界面 2DEG 更容易受到肖特基势垒耗尽作用的影响 ; 刻蚀过程中可能引入表面损伤 , 引起负电荷聚集效应 . 这些因素都会引起饱和电流下降 , 阈值电压正移 . 所以栅压为 1.5 V时未刻蚀栅槽的器件饱和电流为 535 mA/mm, 而刻蚀栅槽 10和 15 nm 后饱和电流分别减小到 233和 145 mA/mm.图 3为未刻蚀栅槽的耗尽型 HEMT 与槽深分别为 10 nm和 15 nm的增强型HEMT 最大跨导对比 , 漏偏压为 5 V. 槽深为 10 nm的增强型 HEMT 最大跨导图 2 不同刻蚀深度的器件转移特性对比图 3 不同刻蚀深度的器件跨导对比达到 210 mS/mm, 而未刻蚀栅槽的器件最大跨导为 171 mS/mm, 槽深 15 nm的器件最大跨导为 162 mS/ mm. 器件刻槽后 AlGaN 层减薄 , 这使得栅对沟道载流子的控制能力增强 , 所以槽深 10 nm的器件跨导有所提高 , 但当槽深较大后 AlGaN层过薄 , 沟道载流子迁移率更容易受到等离子体刻蚀的影响 , 所以槽深 15 nm的器件跨导没有进一步增大 . 控制等离子体的刻蚀损伤对器件特性的提高至关重要 .图 4给出了未刻蚀栅槽的耗尽型 HEMT 与槽深分别为 10和 15 nm的增强型HEMT 栅反向泄漏电流的对比 . 当栅区域的 AlGaN 层被 ICP 刻蚀中的离子轰击后 , 表面会产生一定的刻蚀损伤 , N空位的增加 [6]中国科学 E 辑 : 技术科学 2009年第 39卷第 1期121和表面缺陷的增多都会造成肖特基泄漏电流的增大 .而且刻蚀后的器件栅都制作在 Si 掺杂 AlGaN 的层上 , 掺杂导致的电子遂穿效应 [7]也增大了肖特基泄漏电流 . 减小肖特基泄漏电流 , 需要进一步降低刻蚀自偏压 , 并将肖特基栅制作在未掺杂的 AlGaN 上 . 图 5为槽深10 nm增强型 HEMT 输出特性.图 4 不同刻蚀深度的器件栅泄漏电流对比图 5 槽深 10 nm增强型 HEMT 输出特性进一步研究在退火条件下 , 增强型 HEMT 特性的变化 , 这是一个十分关注的问题 [8~10]. 对槽深 10 nm 增强型 HEMT 进行了 500℃下 N 2气氛退火 5 min, 退火前后的转移特性和跨导曲线如图 6和 7所示 . 退火后槽深 10 nm增强型 HEMT 在1.5 V栅压下的饱和电流下降了 25.9%, 最大跨导仅下降 6.5%, 但阈值电压从 0.12 V提高到 0.53 V. 器件退火后饱和电流下降是由于高温退火后肖特基势垒高度提高从而影响到 2DEG 密度 . 2DEG密度与肖特基势垒高度关系可以表示为22012/(/( ( ,D pol B D i Ns q dq q ΦEc N d d d σεε=−−∆+−(1其中 Ns 2D 为 2DEG 密度, σpol 为极化电荷 , q 为电子电量, ε0和ε 分别为空气和 AlGaN 的介电常数, q ΦB 为肖特基势垒高度, ∆ E C 为导带不连续性 , N D 为AlGaN 掺杂浓度 , d 和 d i 分别为 AlGaN 层总厚度和空间隔离层的厚度 . 从 (1式看出 , 提高的势垒高度减小了 2DEG 密度 , 所以造成器件饱和电流的下降 . 器件退火后阈值电压向正方向移动也是同样的原因引起 . 阈值电压图 6 槽深为 10 nm器件退火前后转移特性对比图 7 槽深为 10 nm器件退火前后跨导对比郝跃等 : 增强型 AlGaN/GaN槽栅 HEMT 研制与特性分析122V T 与势垒高度的关系又可以表示为20101( . 2polC D i T B E qN d d V Φd q σεεεε∆−=−−− (2当肖特基势垒升高 , 栅对 2DEG 的耗尽作用增强 , 使器件阈值电压向正方向移动 .进一步 , 利用 C -V 的测试研究不同刻蚀条件的AlGaN/GaN异质结载流子分布和耗尽电压的变化 .在频率为 1 MHz下进行 C -V 测试 . 从图 8可以看出 , 未刻蚀的材料耗尽电压为−2.3 V, 与耗尽型器件的阈值电压相近 ; 而刻蚀 10 nm的材料 C -V 耗尽电压向正向移动到了 0 V附近 , 刻蚀 15 nm的材料 C -V 电容在偏压为 0.3 V时还没有明显的电容平台 , C -V 耗尽电压的测试结果也对应了不同槽深的增强型 AlGaN/GaN HEMT的阈值电压 . 当 C -V 的测试电压大于 0.5 V 后 , 由于肖特基正偏电流的问题 , C -V 测试结果会出现由于等效模型计算而造成的异常 , 所以图 8中仅显示了正偏电压小于 0.5 V的曲线 . 从图 8中可以看图 8 不同刻蚀深度异质结材料肖特基 C -V 特性对比出未刻蚀的材料 C -V 电容最大为 67 pF, 而刻蚀 10 nm的材料 C -V 电容最大达到 116 pF, 刻蚀 15 nm的材料 C -V 电容在偏压为正后还没有明显电容平台 . 当 C -V 测试正偏电压接近 0.5 V后 , 槽深 15 nm的器件由于肖特基正偏漏电较大造成 C -V 测试等效模型计算不准确 , 而且半导体中刻蚀引起的缺陷态浓度过高会导致载流子跟不上 C -V 测试的频率 , 这两个因素都可能造成槽深 15 nm的 C -V 曲线没有出现电容平台 . 异质结 C -V 电容越大反映出肖特基结对载流子的控制能力越强 . 刻蚀 10 nm的材料 C -V 电容峰值比未刻蚀材料的 C -V 电容峰值大将近一倍 , 但从制作出的器件最大跨导值的对比却远未到一倍 , 这说明器件的欧姆接触电阻影响了 10 nm槽深增强型 HEMT 跨导更进一步提高的空间 , 而我们用 C -V 电容峰值比较仅能得到本征跨导间的对应关系 .3 结论采用槽栅结构实现了饱和电流 233 mA/mm, 最大跨导 210 mS/mm, 阈值电压为0.12 V的增强型 AlGaN/GaN HEMT, 并实现了退火后阈值电压为 0.53 V(该电压已经能够适用于开关器件和高速数字器件 .重点研究了不同的槽深对增强型 AlGaN/GaN HEMT特性的影响 , 当槽深增大时阈值电压明显增大 , 但 AlGaN 层过薄时饱和电流下降较为明显 , 这就需要对器件阈值电压和饱和电流进行折中考虑 , 选择最佳栅槽深度 , 使在提高阈值电压的同时保证器件的电流和跨导受到较小影响 . 退火过程中栅肖特基势垒高度得到提高 , 而提高的肖特基势垒高度对沟道的 2DEG 有明显耗尽作用 , 这是引起器件饱和电流下降及阈值电压增大的主要原因 .参考文献1 Kumar V, Lu W, Schwindt R, et al. AlGaN/GaNHEMTs on SiC with f T over 120 GHz. IEEE Electron Device Lett, 2002, 23(8: 455―4572 Koudymov A, Wang C X, Adivarahan V, et al. Power stability ofAlGaN/GaNHFETs at 20 W/mm in the pinched-off operation mode. IEEE Electron Device Lett, 2007, 28(1: 5―83 Lanford W B, Tanaka T, Otoki Y, et al. Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage. Electron Lett, 2005, 41(7: 449―4504Wang R N, Cai Y, Tang W, et al. Planar integration of E/D-Mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment. IEEE Electron Device Lett, 2006, 27(8: 633―635中国科学 E 辑 : 技术科学 2009年第 39卷第 1期1235 Liu Y, Egawa T, Jiang H. Enhancement-mode quaternary AlInGaN/GaN HEMT with non-recessed-gate on sapphire substrate. Elec-tron Lett, 2006, 42(15: 884―8856 Shul R J, Zhang L, Baca A G, et al. Inductively coupled high-density plasma-induced etch damage of GaN MESFETs. Solid-State Electron, 2001, 45 (1: 13―167 Zhang H, Miller E J, Yu E T. Analysis of leakage current mechanisms in Schottky contacts to GaN and Al0.25Ga 0.75N/GaN grown by molecular-beam epitaxy. J Appl Phys, 2006, 99(2: 023703-1―023703-58 Takuma N, Naruhisa M, Toshiyuki O, et al. Improvement of DC and RF characteristics of AlGaN/GaN high electron mobility tran-sistors by thermally annealed Ni/Pt/Au schottky gate. Jpn J Appl Phys, 2004, 43(4B: 1925―19299 Ambacher O, Smart J, Shealy R, et al. Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-faceAlGaN/GaNheterostructures. J Appl Phys, 1999, 85(6: 3222―322910Drozdovski N V, Caverly R H. GaN-based high electron-mobility transistors for microwave and RF control applications. IEEE Mi-crowave Theory Techs, 2002, 50(1: 4―82009低碳技术国际学术会议征稿通知时间地点 : 2009年 9月 15~18日 , 北京网址 : 会议主席 : 徐建中院士 (中国合作主席 : 佐藤幹夫博士 (日本송진수博士 (韩国主办单位 :中国工程热物理学会日本机械工程学会能源系统分会韩国新能源和可再生能源学会会议主题大气中二氧化碳含量的提高造成全球气候变暖 , 导致干旱、海平面上升和更多的灾害 . 低碳技术可以防止灾难性的气候变化 , 并可以减少全球有限能源的消耗率 . 低碳经济和绿色能源的发展不但可以保护环境 , 还可以造成新的经济增长 .征文内容(1 制造业、农业、交通、工业过程和能源开发等各方面的高效节能技术 .(2 二氧化碳减排技术 , 包括清洁煤燃烧 , 低排量烃燃料、氢和混合燃料动力技术 , 以及碳捕获和存储技术 .(3 新能源和可再生能源技术 , 例如 : 生物质能、地热能、水能、太阳能、潮汐能、波浪能和风能 .(4 化石燃料和二氧化碳排放造成环境污染的控制技术及环境保护技术 . 重要日期提交 800字英文摘要 : 2009年 3月 31日论文接收函 : 2009年 4月 30日提交论文全文 : 2009年 7月 1日。
AlGaN/GaN HEMT 器件制备工艺流程介绍◎李泽政高靖雯江浩陈冲(作者单位:吉林建筑大学)AlGaN/GaN HEMT 器件制造主要分为AlGaN/GaN 异质结材料的生长和HEMT 器件制备两个主要部分,材料生长的好坏和器件制作工艺都将对器件的性能产生深远影响,本文主要对AlGaN/GaN 材料的生长和HEMT 器件制备的工艺流程进行介绍。
一、AlGaN/GaN 异质结材料的生长GaN 晶体一般呈六方纤锌矿或者立方闪锌矿结构。
目前,GaN 领域的大部分研究主要集中于结构更为稳定的纤锌矿结构上,高质量的GaN 薄膜材料的制备对其发展和应用具有至关重要的作用。
GaN 体单晶的制备非常困难,因此目前大部分都是在蓝宝石、Si、SiC 等衬底上进行异质外延生长获得的。
GaN 外延生长的方法主要有三种:分子束外延(MBE )、金属有机物化学气相淀积(MOCVD )以及氢化物气相外延(HVPE )。
这三种方法比较而言,使用MBE 方式外延获得的GaN 材料晶体质量最优,但生长速率过于缓慢,其较高的成本也不利于大规模产业化;使用HVPE 方式外延具有最快的生长速率,而获得的GaN 晶体质量却最差,因此HVPE 通常仅用于生长衬底材料然后再使用MBE 或MOCVD 法进行同质外延;与前两者相比,MOCVD 外延法生长GaN 材料具有折中的生长速度和晶体质量,而且MOCVD 系统比MBE 系统简单,因此目前市场上主要使用MOCVD 法生长GaN 以及GaN 基材料。
二、AlGaN/GaN 器件基本工艺制备流程实际上从GaN 材料的生长结束到AlGaN/GaN HEMT?制备完成要经过多重的工艺流程,其中的关键步骤分别为新片清洗,FDU 层制作,欧姆接触,台面隔离刻蚀,欧姆退火,栅槽刻蚀栅金属淀积,SiN 保护层淀积,互联开孔,互联金属蒸发,空气桥制作等,本文将逐一进行介绍:第一、新片清洗:未经过清洗的GaN 表面主要存在氧化层,无机和有机的污染物,主要运用醋酸,丙酮和乙醇除去有机沾污;运用酸碱溶液祛除表面的非有机物和氧化层,最后用氮气将新片吹干,表面清洗对后续的工艺和器件的特性存在很大影响。
AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管模型、关键工艺及器件制作AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管模型、关键工艺及器件制作近年来,随着宽禁带半导体材料的发展, AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 在射频功率放大器、微波开关、高频通信等领域中起着重要作用。
本文将重点介绍 AlGaN/GaN HEMT 的模型、关键工艺及器件制作,并探讨其在射频功率放大器中的应用。
AlGaN/GaN HEMT 的模型是研究和设计该器件的基础。
一种常用的 HEMT 模型是 Hockfield 模型,它基于输运理论和二维电子气的特性。
该模型通过考虑电子在AlGaN/GaN异质结构中的构建状态和电缺陷等因素,能够精确描述 HEMT 的输运性能。
关键工艺对 AlGaN/GaN HEMT 的性能和稳定性具有重要影响。
其中最核心的是高电子迁移率材料的外延生长技术。
通常使用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 方法,通过在晶体表面沉积 GaN 和 AlGaN 薄膜来制备 AlGaN/GaN HEMT 结构。
在外延生长过程中,控制好材料的复合级别、晶格匹配度和材料质量非常关键。
器件制作也是实现高性能 AlGaN/GaN HEMT 的关键步骤。
一般的制作流程包括制备衬底材料、生长材料、光刻、腐蚀、金属化处理等。
在制备过程中,需要严格控制温度、厚度和压力等参数,以确保器件的质量和稳定性。
AlGaN/GaN HEMT 在射频功率放大器领域具有广泛的应用。
射频功率放大器可以将来自信号发生器的低功率信号放大到高功率,用于无线通信系统等。
相比传统的功率放大器,AlGaN/GaN HEMT 具有更高的开关速度和更低的损耗,使得其具备更高的工作频率和更高的效率。
然而, AlGaN/GaN HEMT 在应用过程中也面临一些挑战。
其中之一是高功率密度下的热管理问题。
由于 AlGaN/GaN HEMT 在高功率工作时会产生大量的热量,因此需要采用有效的散热技术,以确保器件的稳定性和可靠性。