（微电子学与固体电子学专业论文）algangan+fphemts的制造与研究.pdf

摘要 摘要 g a n 高电子迁移率晶体管( h e m t ) 器件融经表现出了出色的微波功率性能， a l g a n g a nh e m t 器件被认为是1 - 5 0 g h z 频率范围内理想的微波功率器件。但是， 仍然存在两个闻题严重阻碍7 其在徽波大信号领域的发展，一令电流崩塌，一个 是击穿电压。 本文即在此背景下对g a nh e m t 器件采用场板结构对器件造成的一系列影响 进行了研究，同时鉴于利用钝化工艺来抑制电流崩塌会引起器件击穿电压的下降， 研究并得出了采用场板结构能够有效地抑制电流崩塌。主要研究结果如下： l 、研究了场板提高击穿电压的机理。 研究并说明了采用场板能够调制电场在近漏端栅边缘的分靠并减小电场强度 峰值，从褥提高器件击穿电压豹祝理，同时说明了影响击穿电压最重要的三个尺 寸参数与两个材料参数。 2 、藏功实现了对g a n 基h e m t 器件与f p h e m t 器件的仿真并绘窦对比分 析。 利用a t l a s 软件对g a n 基h e m t 器件与f p e m t 器件进行了仿真对比， 研究并分析了二者在i v 特性，频率特性上的区别，说明了采用场板后在上述两方 面有略微的下降；研究并分析了有场板与无场板时h e m t 器件的电场分布，说明 了采用场板后，的确能调制近漏端栅边缘的电场分布并在场板边缘处出现一个新 的峰值从而降低了最大峰值；研究并分析了钝化层厚度对电场分布的影响，说明 存在一个最佳值使褥电场峰值最小。 3 、研究了g a nh e m t 器件发生击穿的区域 通过a t l a s 软件对g a nh e m t 器件在不同区域的电场分布进行了模拟对比， 发现在a 1 g a n g a n 界面处的电场峰值最大，并从理论上解释了g a nh e m t 器件 发生击穿区域出现在a i g a n g a n 界蕊处的原因。 4 、研究了不同击穿电压的测量方法。 通过研究并对比了不同击穿电压的测量方法，例如国际上最流行，最简单的 二端法，最接近击穿机理的硬击穿法等。说明了三端法中的d c i t 方法是比较好的 种方法，因为既能够避免二端法所存在的弊端，又能兼顾实际的器件工作状态， 还麓够保护器件，不烧毁器件。 5 、成功制造m 了高件能的a i g a nf p h e m t 器件，并对其进行了深入的分析 与研究。 对蓝宝石衬底的a 1 g a n g a nf p h e m t 器件和同一基片上制作的常规h e m t 器件的直流特性进行了测量对比分析，表明了最大饱和电流密度与跨导有一定的 下降，并与模拟仿真结果进行了对比，说明了二者有较好的符合。 2 一 a i g a n g a nf p h e m t s 的制造与研究 避过对院了常规h e m t 器件，钝化赢h e m t 器件以及f p 。h e m t 器彳牛的击穿 电压与同条件下懿电流崩塌情况，说明了采用场板结构能很好的鳃决g a n 基 h e m t 器件中存在的抑制电流崩塌和提高击穿电压的矛盾，最后从理论上给出了 解释。 综上所述，本文成功地研究了场板对g a n 基h e m t 器件的影响，从理论上、 模羧茯真上以及实验上黠f p ，h e m t 器伴进行了深入酶研究，并与常规h e m t 器 件进行了一系列的对比，并针对g a n 基h e m t 器件中存在的抑制电流崩塌与提高 击穿电压之间的矛詹，进行了有益的分析与研究，并褥到了良好的解决。 关键词：g a n ，高电予迁移率晶体管，场板结构，击穿电压，电流崩塌 a b s t r a c t a b s t r a c t g a n b a s e d h i g h e l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r ( h e m t ) d e v i c e sh a v es h o w n o u t s t a n d i n gm i c r o w a v ep o w e rp e r f o r m a n c e ，a i g a n g a nh e m t sa r er e g a r d e da st h e i d e a lm i c r o w a v ep o w e rd e v i c e si n 1 - 5 0 g h z h o w e v e r , t h e r ea r es t i l lt w oi m p o r t a n t p r o b l e m st ol i m i tt h ed e v e l o p m e n ti nm i c r o w a v ep o w e ra p p l i c a t i o n s ：o n ei sc u r r e n t c o l l a p s e ，t h eo t h e ri sb r e a k d o w nv o l t a g e i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ei n f l u e n c e so fu s i n gf i e l dp l a t ei ng a nh e m t sa r es t u d i e d ， a n da c c o r d i n gt ot h eb r e a k d o w nv o l t a g ew a sd e c r e a s e db y u s i n gp a s s i v a t i o nt os u p p r e s s t h ec u r r e n tc o l l a p s ei ng a nh e m t s ，w eo b t a i nt h a ta d a p t i n gt h ef i e l dp l a t es t r u c t u r ei sa g o o ds o l u t i o nt ot h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ni n c r e a s i n gt h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n d s u p p r e s s i n gc u r r e n tc o l l a p s e t h em a j o ra c h i e v e m e n t sa r el i s t e d 1 f i r s t l y , t h em e c h a n i s mo fu s i n gf i e l dp l a t et oi n c r e a s et h eb r e a k d o w nv o l t a g ei s s t u d i e d t h ee f f e c t so fr e s h a p i n gt h ed i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l do nt h ed r a i ns i d eo ft h e g a t ee d g ea n dr e d u c i n gi t sp e a kv a l u eb yu s i n gf i e l dp l a t ea l ed i s c u s s e d ，a l lt h e nt h e t h r e ei m p o r t a n tg e o m e t r i c a lv a r i a b l e sa n dt h et w om a t e r i a l v a r i a b l e st oi n f e c tt h e b r e a k d o w nv o l t a g ea r el i s t e d 2 s e c o n d l y , s u c c e s s f u ld e v i c es i m u l a t i o n sa n dc o m p a r e so ft h eg a n b a s e d h e m t sa n df p h e m t s 。 t h es i m u l a t i o n sa n dc o m p a r e so ft h eg a n b a s e dh e m t sa n df p 。h e m t sb y a t l a sa r ep r e s e n t s o m ea n a l y s e sa r em a d eo nt h ed i f f e r e n c e so fi vc h a r a c t e r i s t i ca n d f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co nt h et w oo n e s ，s h o w i n gt h et w of a c t o r sd e c r e a s eal i t t l ew i t h f i e l dp l a t e t h es t u d yo nt h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ed e v i c e sw i t hf i e l dp l a t ea n d w i t h o u tf i e l dp l a t ei sp r e s e n t 。i tp r o v et h a tt h e r ei san e we l e c t r i cf i e l dp e a 受o nt h ed r a i n s i d eo ft h ef i e l dp l a t ee d g ea n dr e d u c ei t sp e a kv a l u e t h es t u d ya n da n a l y s e so nt h e e f f e c to ft h ee l e c t r i cf i e l dw i t ht h et h i c k n e s so ft h ep a s s i v a t i o nl a y e r , a n di ts h o w st h a t t h e r ei sab e s tv a l u et om a k et h ep e a kv a l u es m a l l e s t 3 t h es t u d yo ft h el o c a t i o nw h e r et h eb r e a k d o w no c c u r si ng a nh e m t s + t h es i m u l a t i o n sa n dc o m p a r e so ft h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o na tt h ea i g a n g a n i n t e r f a c ea n dt h ed e p l e t i o nr e g i o ni nt h eg a nh e m t sb yu s i n ga t l a sa r ep r e s e n t t h e c o n c l u s i o ns h o w st h a tt h eh i g h e s te l e c t r i cf i e l ds t r e n g t ho c c u r sa tt h ea 1 g a n g a n i n t e r f a c e a n dt h er e a s o nw h yi to c c u r sa tt h a tp l a c ei ng a nh e m t si sa l s os h o w n 4 t h es t u d yo nt h ed i f f e r e n tt e s to fb r e a k d o w nv o l t a g ei sp r e s e n t 。 a c c o r d i n gt ot h es t u d ya n dc o m p a r eo ft h ed i f f e r e n tt e s t ，s u c ha st w o t e r m i n a lt e s t ， h a r db r e a k d o w na n ds oo n ，i ts h o w st h a tt h ed r a i nc u r r e n ti n j e c t i o nt e c h n i q u ei sg o o d f o rt h eb r e a k d o w nv o l t a g et e s tb e c a u s ei tc a nn o to n l ya v o i dt h ed i s a d v a n t a g e so f t w o t e r m i n a lt e s t ，b u tb ec l o s et ot h er e a ls t a t ea n dp r o t e c tt h ed e v i c e 5 f i n a l l y , t h ea 1 g a n g a nf p h e m td e v i c e sa r ef a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l ya n dt h e c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e dd e e p l y t h ea n a l y s e so ft h ea i g a n g a nf p h e m t sa n dc o n v e n t i o n a lh e m t so nt h es a m e w a f e ra r ep r e s e n t ，a n dt h er e s u l t sa r ec o i n c i d i n gw i t ht h es i m u l a t i o n s 。 a c c o r d i n gt o t h ec o m p a r e so ft h ec o n v e n t i o n a lh e m t s ，t h eh e m t s a f t e r p a s s i v a t i o na n dt h ef p h e m t s b r e a k d o w nv o l t a g e sa n dt h ed e g r e e si nt h es a m e c o n d i t i o n ，i tm a k e so u tt h a tt h ef i e l dp l a t e s t r u c t u r ei sag o o ds o l u t i o nt ot h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e ni n c r e a s i n gt h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n ds u p p r e s s i n gc u r r e n t c o l l a p s e a b o v ea l l ，t h es t u d yo nt h ef p h e m t sf r o mt h et h e o r y , s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t i sp r e s e n t ，a n dt h ec o m p a r ew i t hc o n v e n t i o n a lh e m t si sa l s os h o w n 。b ya d o p t i n gt h e f i e l dp l a t es t r u c t u r ei sag o o ds o l u t i o nt ot h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ni n c r e a s i n gt h e b r e a k d o w nv o l t a g ea n ds u p p r e s s i n gc u r r e n tc o l l a p s ei ng a n b a s e dh e m t s k e y w o r d s ：g a n ，h e m t , f i e l dp l a t es t r u c t u r e ，b r e a k d o w nv o l t a g e ，c u r r e n tc o l l a p s e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谫 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：r 期竺 1 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鹾安电子科技大学有关保留和使用学位沦文的规定，且f j ：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 嗍砂_ 同期m 第一章绪论 第一章绪论 l 。1 g a n 材料篱介 g a n 材料具有良好的电学特性，如宽的禁带宽度，高击穿电场，高热导率， 耐腐蚀，抗辐射等，被誉为是继第代g e 、s i 半导体材料、第二代g a a s 、i n p 化合物半导体材料之后的第三代半导体材料，是制作高频、离温、高压、大功率 电子器件和短波长、大功率光电子器 牛戆理想楮籽。 g a n 是由j o h n s o n 等人予1 9 2 8 年合成的- - 种i i i v 族化合物半导体材料，由于 晶体获褥爨难，所以对它酶研究未褥到 良好韵进震。在6 0 年代，霜l | i 。￥族讫合物 材料g a a s 制成激光器之后，才又对g a n 的研究产生兴趣。19 6 9 年，m a r u s k a 和 t i e t j e n 成功制备出了单是g a n 品俸薄膜，给这种材料带来了新鲍纂望。但在此嚣 很长时期内，g a n 材料由于受到没有合适的村底材料、n 型本底浓度太高和无法实 现p 型掺杂等问题的困扰，进展十分缓慢。进入9 0 年代以来，囱于缓冲层技术魄 采焉帮p 型掺杂技术麴突破，对g a n 的研究热灞在全世界蓬勃发展起来，并且墩 得了辉煌的成绩。 g a n 是摄稳定的纯台物，又是蘩硬熬嘉熔点材料，熔点约巍1 7 0 0 。g a n 其 有高的电离度，在i i i v 族化合物中是最高的。在大气压力下，六方纤锌矿结构 g a n 晶体，它在一个元飚中有4 个爨子，原子体积大约茭g a a s 的一半。函隽其硬 度高，又是一种良好的涂层保护材料。在室温下，g a n 不溶予水、酸和碱，而在 热的碱溶液中以非鬻缓慢的速度溶解。g a n 在h c i 、h 2 气或离滠下呈现不稳定特 链，焉在n 2 气下最为稳定。 表1 1 是g a n 材料与其它半导体材料的参数比较。从各项参数中可以看出g a n 材糕参数其有甓盥麴饶点，其禁带宽度最宽，极高的潦值电子速度帮饱和电子速 度也明显优于其它半导体材料。电荷载流子速度场特性是器件工作的基础，高饱 鞫速度导致大电流和高频率，所鞋g a n 搴毒瓣是裁造微波功率器- 牛蕊优选材料。更 重要的是g a n 材料可以形成调制掺杂的a i g a n g a n 结构，该结构在室温下可以 获得很衰鲍电子迁移率( 1 5 0 0 c m 2 v s ) ，极高的峰值电子速度( 3 x 1 07 c r r d s ) 和饱秧 电子速度( 2 x 1 0 7 c m s ) ，并获得眈第二代化含物半导体舜质结器件中更高的二维电 子气( 2 d e g ) 浓度( 2 x 1 0 1 3 e m 2 ) 。所以，基予a 1 g a n g a n 异质结的离电子迁移 搴晶体管( h e m t ) 在大功率徽波器件方面毒菲常好的应用前暴。馨疆3 j a i g a n g a nf p - h e m t s 的制造与研究 表l 。l 儿类常见半导体材料参数比较 材料禁带宽度 r 热导率( w c m k )急穿电场( v c m ) s il 1 2l1 9 1 53 1 0 5 g a a s1 4 31 2 so 5 44x1 0 5 l n p1 3 41 2 4o 6 74 5 1 0 5 6 h s i c3 ol o o41 - 5 1 0 6 g a n3 49 51 33 5 1 0 6 l 。2g a n 器件发展历程以及本文的研究意义 t 9 6 9 年疆登m a r u s k a 等人h 。4 l 首先对g a n 晶体的基本淫质进行了研究，研 究表明g a n 是零孛直接带隙半导体，禁带宽度为3 3 9 e v 。1 9 8 1 年￥o h k i 等【5 l 提出了用( o 0 0 1 ) 蓝宝石基片作隽晶体g a n 外延熊衬底材料。然露叁予蓝宝石与 g a n 之间存在较大的品格失配和热失配，骶以直无法得到表藤光滑无裂纹的 g a n 外延薄膜【1 6 l 。1 9 8 3 年s 。y o s h i d a 等人m 1 提出了在外延层肇衬戚之间加入 a i n 缓冲层将有助予提高外延薄膜的电学和光学特性。1 9 8 6 年h a m a n o 等人【l 8 j 利用m o c v d 方法采用a l n 缓冲层在( 0 0 0 1 ) 蓝宝石a i g a n g a n 异质结材料生长 与h e m t 器件制造研究衬底上成功地生长表丽光滑无裂纹的g a n 单晶外延层。 1 9 9 3 年便盘现了第只g a n 蓝毙发光二极管的裔避产品。 此蜃g a n 材料与器件研究成为纯合物半导体领域麴研究热点，得到了快速的 发展。g a n 光电器件( 以g a n 蓝光l e d 为主) 戒功进入帚坜以后，囊于g a n 出 色的电学特性，g a n 电子器件特别是微波功率器件很快成为人l | 】的研究热点。 1 9 9 3 年m 。a k h a n 等人制造出第一只g a n 场效戏晶体管，g a nm e s f e t t l 9 l ， 同年他们也报道了第一只g a nm i s f e t l l 1 0 l 。第一只g a nm e s f e t 采用 l p m o c v d 和薄a i n 成核层在蓝宝石衬底上生长的6 0 0 n m 厚的无意识掺杂 小g a n 层律为晶体管沟遒，掺杂浓度和迁移率分剐为l x l 0 玎c m 心和3 5 0 c m 2 v s 。 栅长为4 l am 韵该器件获得了1 7 5 m a m m 的最大电流密度和2 3 m s m m 的峰值跨 b 1 o 对予g a nm e s f e t 和g a nm i s f e t 器件，均以n - g a n 层俸为导毫层，最裙 出于钋延工艺的闯题g a n 外延层中存在较赢的缺陷密度，同时港于杂矮c 和o 分别引入的受主和施主杂质之间的补偿产生大量的电离杂质，因此室温下g a n 钋 延层的迁移率总是不高。为了提离导电性，增加n 型掺杂产生离浓度电子的同时 迁移率会降得更低，因此无法获得较高的功率密度和频率特性。由于上述原因， g a nm e s f e t 和m i s f e t 没有引起人们太大的关注。 与就溺时，a i g a n g a n 异质结材料韵电特性远远超毒了g a n 体晶材料的电 第一章绪论 特性，因此从1 9 9 4 年至今a 1 g a n g a n 异质结材料的生长和a 1 g a n ，g a nh e m t 器件的研制始终占据着g a n 电子器件研究的主要地位。 1 9 9 2 年k h a n 等人在蘸宝石衬底上制造出a i g a n g a n 异质结材料，并利用 s d h 量子霍尔效应证实了a 1 g a n g a n 界面二维电子气( 2 d e g ) 的存在。该 a 1 g a n g a n 异震结2 d e g 熬室温迁移率为8 3 4 c m 2 v s ，7 7 k 迁移率为 2 6 2 6 c m 2 v s 。室温2 d e g 密度为l x l 0 c m 。 通常a 1 g a n g a n 异质结中的a 1 g a n 和g a n 都是六方晶态，即纤锌矿结构。 由于纤锌矿a 1 g a n 和g a n 晶体在( 0 0 0 1 ) 方向不满足反转对称性，因此a 1 g a n 和 g a n 沿着( o 0 0 1 ) 方向存在很强的自发极化效应，同时a i g a n 与g a n 冕面晶格形 变会弓| 起很强的压电极化效应，这两种极化效应相互增强从而在a i g a n g a n 界舔 诱导出大量正极化电荷，正极化电荷吸引电子向a i g a n g a n 界面积累，从而形成 赢密度的2 d e g 。即使对a i g a n g a n 冥质结不进行经何有意掺杂，仅靠极纯效应 也能形成高浓度的2 d e g 。实验研究已证实，a i g a n g a n 异质结存在极强的压电 极纯和自发极化效应，从丽在异质结界面形成高浓度的二维电子气( 2 d e g ) 。 a i g a n g a n 异质结2 d e g 出色的电流处理能力使得a i g a n g a n 异质结材料成为 制造高频大功率器件的理想选择。 此后，随着工艺水平的改进，材料质量不断提高，蓝宝石衬底a 1 g a n g a n 单 异质结( s h ) 的2 d e g 迁移率不断增加。1 9 9 2 年，低温( 7 7 k ) 2 d e g 迁移率为 2 6 2 6 c m 2 v s l l l ；1 9 9 5 年，低温迁移率达到5 0 0 0 c m 2 v s i + 1 2 l ：1 9 9 6 年，低温迂移 率提高到5 7 0 0 c m 2 v s 1 1 3 】：1 9 9 9 年，低温迁移率提高到1 0 3 0 0c m 2 v s l l 14 1 。此后蓝 宝石衬底a i g a n g a n 异质结2 d e g 迁移率没有更高的报道。对于室温2 d e g 迁 移率，通常在8 0 0 15 0 0 c m 2 v s 之间。 s i c 衬底与g a n 之间的晶格失配较小，因此s i c 衬底a i g a n g a n 单异质结 2 d e g 迁移率更高些。1 9 9 9 年，低温2 d e g 迁移率已达到l1 0 0 0 c m 2 v s 1 - 1 5 】： 目前最高2 d e g 迁移率为2 8 0 0 0 c m 2 f v s ( 1 0 k ) 。s i c 衬底a i g a n g a n 异质结2 d e g 的室温迁移率通常在1 0 0 0 。2 0 0 0 c m 2 v s 之间。 由于a l 组份、a i g a n 层结构( 掺杂与厚度) 、2 d e g 面密度及测量条件对 a i g a n g a n 异质结2 d e g 迁移率测量均有较大影响。因茂，运常情况下，蓝宝石 衬底或s i c 衬底的a i g a n g a n 异质结2 d e g 的面密度和迁移率分别为 0 。8 3 x 1 0 1 3 c m 和8 0 0 2 0 0 0 c m 2 n s 。由予2 d e g 西密度和迁移率之闻存在羞互斥关 系，即2 d e g 面密度较高时，迁移率一般较低。前面报道的高2 d e g 迁移率数据 通常都是在低a l 组份( 合金无序敖射和冕面应变散射小) 和低2 d e g 面密度的情 况下获得的。对于h e m t 器件的制造，由于饱和漏电流i d s a t 和跨导g m 均正比 予迁移率与面密度的乘积| in ，所以经常以迁移率面密度积扯n 作为评价2 d e g 电 特性兹指标。通常迁移率面密度积pn l x l 0 灏郎为较好的材料。 | 一 a i g a n g a nf p h e m t s 的制造与研究 a 1 g a n o a n 异质缝材瓣性毵不断提篱酶同时，a 1 g a n g a nh e m t 器件的性 能也得到了不断的提高。1 9 9 9 年s i c 树底a i g a n g a nh e m t 器件获得了高达 9 2 w m m 1 8 g h z 的功率密度i l _ j 。2 0 0 1 年v i n a y a k 越l 救等人制造的s i c 树底 a i g a n g a nh e m t 器件获得了1 0 。7 w m m 1 0 g h z i l j 。c o n e l l 大学的j o h n z o l p e r 博士研制出功率密度达到1 1 7 w r a m 1 0 g h z 的s i c 衬底a 1 g a n g a nh e m t 器件 t 1 8 1 。这近似为g a a sp h e m t 器件功率密度的十倍。幽于蓝宝石衬底的热导率低 予s i c 衬瘸，因此蓝宝石衬底a l g a n 怒a nh e m t 器件所能获得的功率密度通常要 小于s i c 树赢的嗣类型器件。罄翦，新获得靛最大跨导分别是4 0 2 m s m m t l 纷】( 蓝 宝嚣树痍) 摹羹2 0 7 1m - 2 0 l m s m m ( 碳化硅辛寸底 ；两种情况所对癍赫器锋最大饱和电流 分别为1 1 3 0 m a m m t l 2 1 1 和1 7 1 0 m a m m i l 2 2 l ，截止频率是分别研达到1 0 7 g h z h 9 l 和1 6 2 g h z t l l ，最大振荡频率粕a x 分别可达到151 g h z i l 2 4 】和1 6 2 g h z 1 2 3 1 。频率 为1 8 g h z 时，蓝宝石衬底上获得的最大输出功率密度为3 3 w m m t l 2 1 】，输出功率 附加效率( p o w e ra d d e re f f i c i e n c y ，p a e ) 为1 8 2 ，而在s i c 衬底上，频率为2 0 g h z 和1 0 g h z s 时的最大输出功率密度分别为2 9 7 w m m l l 2 5 1 和6 9 w m m t l 2 6 ，对应的输 出功率精秀嚣效率分剐为2 2 5 和5 1 o 。a i g a n g a n 器件所具有的极好高频大功 率特性大大邃增强7g a n 徽波功率器件研究和应用前景。 尽管a 1 g a n g a nh e m t 器件在微波大功率特性方藕取褥缀大於进步，毽是仍 然存在嚣个问题严重阻碍了其在微波大信号领域的发展，个表_ 瑟翳阱，比如雩| 起电流崩塌，个是击穿电压。1 1 2 7 1 可知，器件在放大区的最大输出功率可以表示为： p = 吉k ，删( 煳脚黼一) ( i - 1 ) 6 式中i d s m a x 和v k n e 分别力器件在直流扫摧下测得的最大输出电流和膝点电 压，v b r e a k d o w n 是器件的击穿电压。 由上面公式可以看出，击穿电压的提高，能够增大最大输出功率，惩随着击 穿电压的提高，器件的可靠性也能够得到大幅的提高。 通常采用在栅漏之糊淀积钝化层的方法，但降低了击穿电压。而采用场板结 构能大幅度提高器件的蠢穿沌压，又能进一步抑制电流精塌，从而解决g a n 基 h e m t 器件中存在的抑剃电流麓塌与提高击穿电压之秘鹩矛盾，从而提离器件功 率密度、功率附加效率黧橹关增益，虽在工艺中容易实现，所以这些年来成为半 导体领域人们研究重点之一。 第章绪论 1 3f p h e m t s 国际圈内研究现状 1 9 9 3 年k h a n 报道成功研制第只a i g a n g a n 异质结场效应晶体管( h f e t ) 以来，人们对g a n 基器件的研究不断地取得突破。2 0 0 0 年，z h a n g 1 2 8 】等人报道了 剩黑重叠搬结椽( 也是场援结构静种) 翦g 喇h e m t 器俘，击穿电压达到了5 7 0 v 。 接着，k a r m a l k a r l l 2 9 1 等人对场板结构进行了模拟，揭示了在击穿电压上至少可提高 5 倍，达到了1 9 0 0 v 。然_ 焉，那露嫔，铡造的器件霹黄截止频率较低，不适于徽波 应用。2 0 0 3 年，a n d o o 3 0 l 等人使用类似的较小栅长场板结构，得到了在频率2 g h z 下输基功率1 0 w 的结果。c h i n i l l 3 1 等人，采用了一种新的场板设计进一步减小了撩 长，在4 g h z 下获得了1 2 w 抽m 的功率密度，2 0 0 4 ：年，x i n g ! 3 2 j 等人报道了利用多层 场板结构的a 1 g a n g a nh e m t 器件，当栅长为l ，5 p m ，栅漏l 、日j 距从4 9 m 到2 8 岬变 纯瓣，最大击穿电压为9 0 0 v 。w u o - 3 3 1 等人摄遥了利用单层场板结构，当器件工律电 压为1 2 0 v 时，4 g h z 时的连续波输出功率密度3 2 2 w m m ，最大功率附加效率 p a e ) 为5 嬉。8 。 如今臀际流行的场板结捣分秀以下霆释：均匀场投、台阶场援、多瑟场板、 双场板。下面给出各自的大致介绍： 1 ) 均匀场叛： 均匀场板如图1 1 、1 2 所示，场扳下方钝化层厚度均匀。前者场板通过金属 线与搋辍或源极相连，可彤成撵终端场板结掏帮源终端场投结构：蜃者场叛为掇 极向漏端延展形成，被称为非对称g a m m a 栅结构【1 3 4 j 。与前者相比，虽然后者的栅 电阻更小，但穰漏电容毙较大，功率增益和功率黠麴效率较小。善l i 和s ，c a i t l 3 5 j 等人报道了采用非对称g a m m a 栅结构，场板长度为0 7 “m 时，击穿电压大于l1 0 v 。 r 。v e t u r y | 1 3 6 1 等入制佟成功均与场扳g 烈基h e m t ，v d s 一8 0 v 时，2 。1 4 g h z 连续波 输出功率密度为2 2 7 w m m ，功率附加效率为5 4 。 6 一 a i g a n g a nf p h e m t s 的制造与研究 i ：圈。k ”7 777 7 姜 ne ；：= ：= = ：。= l a l g a n 1 2 d g g a n 粼l 。lg a n 基h e m t 器穸l ：均匀场板结构- 场板透过金属线与糖、源辍禚迂 gf p sd e 二= ：1 彰彩彳7 洲隧习 a l g a n 2 d e g g a n 豳1 2g a n 基h e m t 器件均匀场板结构一菲对称g a m m a 褫 2 ) 台阶场扳： 场板边缘附近电场分布存在一个峰值，增加场板的层次性，可以增加电场峰 值的数量，羹| j 击穿电压随着电场峰值数目的增多丽增大。透过刻蚀工艺形成螽阶 状钝化层，在钝化层上淀积金属层即形成台阶状场板结构，场板结构与其临界击 穿黠静电场分布示意霉魏圈l 。3 所示，褫掇边缘、台阶处、场板边缘各存在个电 场峰值，与均匀场板结构相眈，电场峰值数量增加，电场益线覆盖面积增大，击 穿瞧压增大。s k a r m a l k a r t 3 4 l 等人报道了采瘸肇层台阶场叛惩予功率开关的g 攒基 h e m 善，击穿电压高达1 0 0 0 v 。 第一章绪沦 电 场 强 度 离开源极的距离 辫l 。3g a n 蘩h e m t 剐q ：叁除场板缝稳与其晒赛煮穿对麴电场分布示意 7 3 多层场叛； 多层场板结构以及临界击穿时电场分布如图1 4 所示。多层栅介质可以减小射 频漂移帮糯涟潺电流。裰毙于均匀场叛，双层场板临赛击穿时其电场分布存在登 个电场峰值，覆盖面积增大，提高击穿电压。h u i l ig x i n g l l 3 2 1 等人报道了场板长度 为0 。5 e 7 幽，双层场板器件的击穿电歪茭7 9 0 0 v 。 8 一 a i g a n g a nf p h e m t s 的制造与研究 电 场 强 度 南一婴i f w f f l 拿一k w ：z i 【黑1 一鱼，i 言“ a l g a n 2 d e g g a n 离开源极的距离 豳1 4g a n 基h e m t 器中i ：多层场板结构与其临界卉穿时的电场分布示意 4 ) 双场板： 双场板结构以及其电场分布如图1 5 所示，该结构含有源终端和漏终端场板两 种场板，源终端场板离源很近，势垒层空间电荷区与漏极相连，在耗尽层边界处 电场不为0 。加入漏终端场板可以减小漏极边缘电场峰值，引入了另一个电场峰值， 提高了击穿电压。w a t a r u 等人报道了采用此静场板结构，栅漏间距为i 0 社黻时击穿 电压可达6 0 0 v ，特征开念电阻为3 3 黻q c m 2 ；s h r e e p a dk a r m a l k a r f l 3 7 】等人报道了 此釉场板结构g a n 器件模拟击穿电压大予1 0 0 0 v 。 第一章绪论 电 场 强 度 sf p1f p2d 缓笏一 物 a i g a n _-一一_-_一一一_-_-_一-_一一一一_-_一一_- 2 d e g g a n 离开源极的距离 图l 。5 g a n 基h e m t 器件双场板结构与其l 强男击穿时憋电场分京示意 场板连接方式有栅终端场板、源终端场板、漏终端场板三种类型。其中国际 主流行的是前两种，以下重点介绍概终端场板、源终端场板的特点。 1 ) 栅终端场板： 为了使栅极和场板闯电容效应最小，栅极一般与场板短接。采用场板结果后， 器件的击穿电压提离几倍，藏输出功率、功率附加效率都比无场板器件大得多。 但场板一沟道电容会转变成附加的搬漏电容，减小了h e m t 器件的截止频率矗、最大 震荡频率f m a x 、大信号增益和功率附加效率( p a e ) 。 2 ) 源终端场板： 因为栅极和潦极闽电压摆幅只有几伏特，远小于动态输出电压摆幅( 上百伏 特) ，所以可以把场板与源极相连 1 3 s j 。场板与源极相连使得场板沟道电容转变 l o _ 一 a 1 g a n g a nf p h e m t s 的制造与研究 为源漏电容，在输出调谐回路中可被电感抵消掉，克n t 栅终端场板结构引入附 加栅漏反馈电容使增益减小的缺点。y 。f w u 1 , 3 8 1 等人报道了源终端场板结构g a n h e m t 器件4 h z 频率下取得2 1 d b 大信号增益，l1 8 v 偏压下功率附加效率6 0 ，电压 频率增益积约为1 0 k v g h z ，功率密度为2 0 w m m 。 国内g a n 研究基本上和国外一样，也是从二十世纪九十年代初+ 丌始。最初主要 的研究单位有中科院半导体所、中科院物瑾所和南京大学。2 0 0 0 年以后国内彳。开 始重视a 1 g a n g a nh e m t 器件的研究，翟内如今的工作重点都在材料质量，衬底 选择，外延层结构和工艺技术等方蕊，在场板作为国际热点露研究的同时，国内 幽于受材料和工艺的限制，研究较少。张国志1 1 3 9 j 曾在2 0 0 5 年提出了采用场板结构 使器件的击穿电压上升到y s o v 左右，并没有涉及到其他关于场板的更多内容。 1 4 本文的主要工作与安排 本文的研究是在困家重大基础研究( 9 7 3 计划) 等项镯的支持下所歼展 a 1 g a n g a nf p h e m t 器件及其褶关基础研究。首先从理论的角度对场板对 a 1 g a n g a nh e m t 器件的影嗡作了深入的模拟磅究与分奉厅；其次，从实验的角度 研究了a 1 g a n g a nf p h e m t 器件的直流特性，击穿特性以及与相对应的常规 h e m t 器件进行了对比：最后，从实验与理论角度给出了场板结构能够很好解决 a i g a n g a nh e m t 器件中存在的抑制电流崩塌和提高击穿电压的矛盾。 具体章节安排如下： 第一章为绪论，介绍了国内外a i g a n g a nf p h e m t 器件的研究成果与现状。 第二章介绍了场板对h e m t 器件性能的影响，利用a t l a s 模拟工具，对比 了f p 。h e m t 与常规h e m t 器件性能，分析了其原因。 第三章介绍了a 1 g a n g a nh e m t 器件的击穿枧理，并对比不露的击穿电压测 试方法。 第四章介绍了a i g a n g a nf p h e m t 器件的制作工艺流程，并对比f p - h e m t 与常规h e m t 器件直流性能的不同，以及击穿电压的不同。最后介绍了通过场板 结构来解决h e m t 器