高性能AlGaN/GaN毫米波器件研究
发布时间：2021-08-06 02:19
由于氮化镓基材料具有高迁移率、高电子饱和速率以及高击穿场强的特点,使得氮化镓基HEMT器件在毫米波功率器件和集成电路领域具有很大优势。对于毫米波功率器件,最大震荡频率、输出功率、功率附加效率是最为重要的指标。为了提高毫米波功率器件的关键指标,本文对AlGaN/GaN毫米波功率器件进行了系统性研究。第二章对GaN基材料的极化效应、GaN异质结中二维电子气的产生机理和HEMT器件工作原理进行阐述;论述了 GaN异质结外延材料的生长以及HEMT器件整体工艺制备方法,重点对器件制作过程中的关键工艺进行阐述,包括新片清洗、欧姆接触、有源区隔离、表面钝化、栅槽刻蚀、凹槽刻蚀、栅极以及互联制作;最后对最高截止频率fT、最高震荡频率fmax、输出功率Pout、功率增益Gain、功率附加效率PAE这五项毫米波功率器件基本参数进行介绍,并提出提高各项参数的途径。第三章重点研究了器件的栅结构、钝化层结构、短沟道效应以及源漏间距与频率特性的对应关系。在栅结构和钝化层的研究中,器件工作频率随着栅长的减小而提高,但是随着栅长的减小,栅极电阻成为制约频率提高的主要因素。为了解决栅极电阻和栅长的矛盾关系,本文提出了一...
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：173 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ＧａＮ材料应用领域??ＧａＮ基材料主要包括了?ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＡＩＮ以及ＡＩＮ
氮化镓异质结具有较强的极化效应，这是氮化镓材料与其他半导体材料相比最为??显著的区别。目前，研宄已经证明氮化镓异质结界面处的二维电子气依赖于极化效应。??氮化镓基异质结中的极化效应包括自发极化与压电极化，如图２．１（ａ）所示。??（１）自发极化??自发极化指没有外加作用时晶体内建立的极化场。氮化镓材料为纤锌矿结构，其??结构不具有中心对称性，晶体内部只有单一旋转性，在垂直于此轴的方向［０００１?］并无??对称性，且原子之间不是纯粹的共价键，因此极化电场在晶体中不具备对称性。这就??导致了化学键中电子电荷偏向其中－？方原子。在晶体不具有反演对称性的方向??［０００１］，不对称的电子会在晶体的一面形成正电荷在另一面形成负电荷。由于Ａ１－Ｎ??和Ｇａ－Ｎ键有离子性，Ｎ原子的电负性要大于Ｇａ原子，因此电子的波函数偏向于Ｎ??原子，电子偏向Ｎ原子形成偶极子，自发极化方向从Ｎ原子指向Ｇａ原子。由于Ａ１－Ｎ??的电负性比Ｇａ－Ｎ相差更大，因此Ａ１－Ｎ极化电场比Ｇａ－Ｎ中更强。对于ＡｌＧａＮ／ＧａＮ??异质结，垂直于［０００１］面方向上具有对称性，极化矢量为零，只在［０００１］方向上有极??化电场的存在，ＡｌＧａＮ和ＧａＮ层的极化方向相同，都是从势垒层指向衬底。砷化镓、??
高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ）属于异质结场效应晶体管，其核心是异质节是由興有不同禁带宽度以及晶格常数的材料形成的。较宽禁带半导休材位于较窄禁带半导体材料（ＧａＮ）之上，简化的结构图和能带图如图２．３所示。结界面处导带边缘出现导带断续，形成狹窄的ＬＸ：域成为量子讲。在极化电场带隙较宽一侧材料中的电子被转移在量子阱中。由于量子阱的宽度与沟道的很小，电子在垂直于界面方向的运动受到限制，只能在沿异质结界面方向运量子阱中的电子分布本质上有很强的二维特性，因此在异质结界面处形成二（２ＤＥＧ）。由于量子阱中的电子与施主杂质分离，降低了电离杂质的散射作阱中电子迁移率与体材料中相比有明显提高。??与ＧａＡｓ基异质结材料相比，ＧａＮ站异质结极化效应更强，因此／｜：?｜丨：故ｆ情况下，２ＤＥＧ浓度可以达到１０ｌ３Ｃｍｄ量级。并且可以通过调节较宽？侧组份含量实现禁带宽度以及晶格常数的变化，从而实现通子阱深度以及极化变，最终实现２ＤＥＧ浓度的调节。二维电子气面密度公式如下：??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]等离子体刻蚀凹栅槽影响AlGaN/GaN HEMT栅电流的机理[J]. 李诚瞻,庞磊,刘新宇,黄俊,刘键,郑英奎,和致经. 半导体学报. 2007(11)
[2]毫米波通信技术的发展与应用[J]. 王晓海. 电信快报. 2007(10)
[3]毫米波雷达的发展状况及其应用[J]. 肖雷. 集成电路通讯. 2007(02)
[4]AlN阻挡层对AlGaN/GaN HEMT器件的影响[J]. 张进城,王冲,杨燕,张金凤,冯倩,李培咸,郝跃. 半导体学报. 2005(12)
[5]跨导为220 mS/mm的AlGaN/GaNHEMT[J]. 张小玲,吕长志,谢雪松,何焱,侯英梁,冯士维,李志国,曾庆明. 固体电子学研究与进展. 2004(02)
[6]RF-MBE生长AlGaN/GaN极化感应二维电子气材料[J]. 孙殿照,胡国新,王晓亮,刘宏新,刘成海,曾一平,李晋闽,林兰英. 半导体学报. 2001(11)
本文编号：3324875
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：173 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ＧａＮ材料应用领域??ＧａＮ基材料主要包括了?ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＡＩＮ以及ＡＩＮ
氮化镓异质结具有较强的极化效应，这是氮化镓材料与其他半导体材料相比最为??显著的区别。目前，研宄已经证明氮化镓异质结界面处的二维电子气依赖于极化效应。??氮化镓基异质结中的极化效应包括自发极化与压电极化，如图２．１（ａ）所示。??（１）自发极化??自发极化指没有外加作用时晶体内建立的极化场。氮化镓材料为纤锌矿结构，其??结构不具有中心对称性，晶体内部只有单一旋转性，在垂直于此轴的方向［０００１?］并无??对称性，且原子之间不是纯粹的共价键，因此极化电场在晶体中不具备对称性。这就??导致了化学键中电子电荷偏向其中－？方原子。在晶体不具有反演对称性的方向??［０００１］，不对称的电子会在晶体的一面形成正电荷在另一面形成负电荷。由于Ａ１－Ｎ??和Ｇａ－Ｎ键有离子性，Ｎ原子的电负性要大于Ｇａ原子，因此电子的波函数偏向于Ｎ??原子，电子偏向Ｎ原子形成偶极子，自发极化方向从Ｎ原子指向Ｇａ原子。由于Ａ１－Ｎ??的电负性比Ｇａ－Ｎ相差更大，因此Ａ１－Ｎ极化电场比Ｇａ－Ｎ中更强。对于ＡｌＧａＮ／ＧａＮ??异质结，垂直于［０００１］面方向上具有对称性，极化矢量为零，只在［０００１］方向上有极??化电场的存在，ＡｌＧａＮ和ＧａＮ层的极化方向相同，都是从势垒层指向衬底。砷化镓、??
高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ）属于异质结场效应晶体管，其核心是异质节是由興有不同禁带宽度以及晶格常数的材料形成的。较宽禁带半导休材位于较窄禁带半导体材料（ＧａＮ）之上，简化的结构图和能带图如图２．３所示。结界面处导带边缘出现导带断续，形成狹窄的ＬＸ：域成为量子讲。在极化电场带隙较宽一侧材料中的电子被转移在量子阱中。由于量子阱的宽度与沟道的很小，电子在垂直于界面方向的运动受到限制，只能在沿异质结界面方向运量子阱中的电子分布本质上有很强的二维特性，因此在异质结界面处形成二（２ＤＥＧ）。由于量子阱中的电子与施主杂质分离，降低了电离杂质的散射作阱中电子迁移率与体材料中相比有明显提高。??与ＧａＡｓ基异质结材料相比，ＧａＮ站异质结极化效应更强，因此／｜：?｜丨：故ｆ情况下，２ＤＥＧ浓度可以达到１０ｌ３Ｃｍｄ量级。并且可以通过调节较宽？侧组份含量实现禁带宽度以及晶格常数的变化，从而实现通子阱深度以及极化变，最终实现２ＤＥＧ浓度的调节。二维电子气面密度公式如下：??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]等离子体刻蚀凹栅槽影响AlGaN/GaN HEMT栅电流的机理[J]. 李诚瞻,庞磊,刘新宇,黄俊,刘键,郑英奎,和致经. 半导体学报. 2007(11)
[2]毫米波通信技术的发展与应用[J]. 王晓海. 电信快报. 2007(10)
[3]毫米波雷达的发展状况及其应用[J]. 肖雷. 集成电路通讯. 2007(02)
[4]AlN阻挡层对AlGaN/GaN HEMT器件的影响[J]. 张进城,王冲,杨燕,张金凤,冯倩,李培咸,郝跃. 半导体学报. 2005(12)
[5]跨导为220 mS/mm的AlGaN/GaNHEMT[J]. 张小玲,吕长志,谢雪松,何焱,侯英梁,冯士维,李志国,曾庆明. 固体电子学研究与进展. 2004(02)
[6]RF-MBE生长AlGaN/GaN极化感应二维电子气材料[J]. 孙殿照,胡国新,王晓亮,刘宏新,刘成海,曾一平,李晋闽,林兰英. 半导体学报. 2001(11)
本文编号：3324875
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