（微电子学与固体电子学专业论文）gan+hemt小信号等效电路参数提取.pdf

摘要 化合物半导体高电子迁移率晶体管等效电路建模是微波电路领域的一个重要 课题，模型的精确度直接决定仿真结果的可信度。随着无线通讯技术的飞速发展， 宽禁带半导体材料g a n 作为第三代半导体材料以其优异的电学特性使得g a n h e m t ( h i 曲e 1 e c 的n m 0 b i l i t y t r a l l s i s t o r 一高电子迁移率晶体管) 建模成为研究 热点。而原有的1 4 元件模型存在较大的高频区域误差，本文的主要目的就是克服 高频下电容分布效应，在原有模型的基础之上，设计一种适合高频情况的器件模 型，并对其主要参数的提取方法进行研究。 本文首先从理论上深入研究了g a nh e m t 器件的物理机理，得到高频下器件 的电容分布效应对器件性能的影响。在传统的1 4 元件等效电路模型的基础之上， 通过增加两个寄生电容来表示栅源、栅漏极间串扰的方法，设计出g a nh e m t 的1 6 元件等效电路模型。 文中对g a nh e m t 小信号等效电路模型和参数提取方法进行了研究。通过理 论上对直接提取和分步提取两种方法进行比较，最终选择采用分步提取法对所建 模型参数进行研究。分别对本征参数、寄生电容、寄生电感、电阻等参数进行提 取。并使用a d s 仿真工具对该1 6 元件等效电路模型的s 参数进行拟合，结果显 示仿真结果和测试结果吻合较好，得到了一种参数提取简单，运算量小，容易实 现的分步提取法。并对大信号模型参数提取方法进行了探索。以及对g a nh e m t 功放的工作原理、性能参数进行了分析。 本文从理论入手，对原有的1 4 元件等效电路模型进行改进，提出1 6 元件等 效电路模型，并采用分步提取法完成g a nh e m t 小信号等效电路模型的参数提 取，测试和仿真结果显示了本文中参数提取方法的正确型和可靠性，优化了参数 提取的方法。 关键词：g a nh e m t小信号等效电路提取方法 a b s 昀c t c o m p o u n ds e m i c o n d u c t o rh i 曲 e l e c t r o nm o b i l i t y 仃锄s i s t o re q u i v a l e n tc i r c u i t m o d e l i n gt l l e 丘d do fm i c r o w a v ec i r c u “i sav e 拶i m p o f t a n ts u b je c t ，m ea c c u r a c yo f m o d e ls i m u l a t i o nr e s u l t sd i r e c t l yd e t e n n i n ec r e d i b i l i 够w i mw i r e l e s st e c l m 0 1 0 9 y t s r a p i dd e v e l o p m e n t ，w i d e - b a n dg a pg a ：ns 锄i c o n d u c t o rm a t e r i a la sam i r d g e n e r a t i o n s e m i c o n d u 咖rm a t e r i a l sf o ri t se x c e l l e i l te l e c 仃i c a lc h a r a c t e r i s t i c sm a k eg a nh e m t m o d e l i n g b e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t t h i sp a p e ri sm a i n l yb u i l to nag a nh e m t s m a l l - s i 龄a 1e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ，a n d1 0 0 kf o 刑a r dt oap o w e ra m p l 讯e ra u sm e b a s i sf o rt l l e 向t i l r e t h ep a p e rf i r s ti n - d e p t l l 咖d yo ft 1 1 eg a nh e m td e v i c ep h y s i c sm e c h a l l i s m ，h a s b e e nu n d e rh i 曲一仔e q u e i l c yc a p a c i t a n c ed e v i c ed i s 仃i b u t i o ne f f e c tag r e a t c ri m p a c to n d e v i c ep e r f o m a i l c ec o n c l u s i o n s t h e r e f i o r c ，m e14c o m p o n e n t si nt 1 1 e 饥瓶i t i o n a l e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lb a s e do na ni l l c r e a l s eo f 锕op a r a s i t i cc a p a c i t a n c eg a t et o i n d i c a t et h es o u r c eo fc r o s s 协l kb 酣w e e ng a t ed r a i n t h e n ，ac a r e 向la n a l y s i so f 也eg a nh e m ts m a l l - s i 铲a 1e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l a 1 1 dp a r 锄酏e re x t r a c t i o nm e m o d ，f 而mt h ee x 仃a c t i o np r o c e s so fc l a s s i f i c a t i o ni s m a i l l l yd i v i d e di n t ot w oc a t e g o r i e s ：d i r e c te x t r a c t i o na n ds t e p - b y - s t e pe x t r a c t i o n e x 坛a c t e dd i r e c t l yi nt 1 1 e s m a l l s i g n a le q u i v a l e n tc i r c u i tt o p 0 1 0 9 yb a s e do nt h e e x 舰c t i o no fm o r cm a nad o z e np a r 锄e t e r sa tt h es 锄et i l n e ，b yc a l c u l a t i n gm ev a l u e o ft 1 1 ev 撕o u sc o m p o n e n t si n t ot h ei n t om eu l t i m a t ev a l u eo fsp a r a m e t e r sa n dt e s tt l l e sp a r a m e t e rv a l u ef o rc o m p a r i s o n ，m eo p t i m a lp a r 锄酏e rv a l u e s s t 印- b y - s t 印 e x 仃a c t i o nc x 仃a c t i o nf i r s te x t e m a lp a r a n l e t e r s ，t 1 1 a ti s ，n o n i n t r i n s i cp a r 锄e t e r s ，a i l d t h e ne x t r a c t e dp a r a s i t i cp a r a me t i 胃sa st h e 虹o w nc o n d i t i o n s ，t oe x 仃a c tt h ei n t r i n s i c p a r a m e t e r s d i r e c t l ye x 订a c t e d 舶mt h em e o r e t i c a la d v a n t a g e so fh i 曲a c c u r a c y ，1 1 i 班 r e l i a b i l i 够a n dd i s a d v a n t a g ei sd i m c u l tt oe x 仃a c t s t e p - b y - s t 印e x t r a c t i o no f 也e a d v a n t a g eo fs i m p l ep a r 锄e t e re x t r 枷o n ，c o m p u t i n gt h ev o l u m eo fs m a l l ，e a u s yt o i m p l e m e i l t ，d i s a d v a n t a g ei st h en e e df o rm o r ed a t a a r e rc o m p 撕n gt h ea d v a l l t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s ，t l l i sp 印e rs t 印b y - s t e pe x 仃a c t i o nm e m o du s i n ge x 仃a 。dm o d e l p a r 锄酏e r s t h eb i a si 1 1 也em e a s u r e m e i l tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fsp a r a m e t e r so fp a r a s i t i c p 黝e t e r sa n di n 妇s i cp 撒韧 n e t e r sw e r ee x 仃a c t e d c h 印t e ri i io ft h ep 印e rd e s 谢b e s m i sp a r to ft h e1 a r g e - s i 印a 1m o d e lp a r a m 酏e re x t r a c t i o nf o ras i m p l ed e s c r i p t i o n c h 印t e r m e s i sg a nh e m tp 。w e r 锄p l i 矗e r f o rm ew 。幽n g p 血c i p l e ， p e 响m a l l c ep 腻u n e t e r sa r ea 1 1 a l y z e d ，a i l d 衄st h e s i sr e s e a r c hn e c e s s 哪t od e s 谢b et 1 1 e s i 弘i 石c a l l c eo fm a tg a nh e m te q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lp a r 锄e t c re x 仃a l c t i o nf o rg a n h e m tp 。w c r 柚1 p 1 汾e rr e s e a r c hs e r v i c e s t 1 1 e n1 0 0 k e d t ot 1 1 eg a nh e m tp 。w e r 锄p l i 丘e r 印p l i c a t i o n s k e y w o r d ：g a nh e m t s m a s i g n a le q u i v a l e n te x t r a c t i o nm e t h o d 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：3 遣 日期趔边 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：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。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。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：3 迦 导师签名： 二曼筵 日期 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 半导体材料发展历程及研究意义 在信息技术的各个领域中，以半导体材料为基础制作的各种各样的器件在人 们的生活中几乎无所不及，不断地改变着人们的生活方式、思维方式，提高了人 们的生活质量，促进了人类社会的文明进步。半导体材料发展迅速，电子产品的 发展更是日新月异，电子产品的发展与半导体材料的发展是分不开的。 在半导体的发展历史上，二十世纪9 0 年代之前，以硅( 包括锗) 材料为主 元素的第一代的半导体材料占统治地位。s i 作为第一代半导体材料，开创了半导 体的历史，随着s i 工艺的发展，s i 超大规模集成电路早已投入使用。 但随着信息时代的来临，当人们对信息的存储、传输及处理的要求也越来越 高时，以砷化镓( g a a s ) 为代表的第二代化合物半导体材料显示了其巨大的优越 性。与s i 等传统的半导体材料相比，第二代半导体材料化合物半导体有更多 优良的性质，如低电场下的高电子漂移速度和高迁移率，使得以g a a s 为代表的半 导体材料做成的器件在工作速度和频率上更具研究和应用价值，g a a s 作为化合物 半导体材料的代表，已被广泛应用于低噪声放大器及功率放大器【1 1 。 随着通信技术的不断进步，g a a s 材料方面的不足也逐渐显现出来，而以氮化 物( 包括s i c 、z n o 等宽禁带半导体) 为第三代半导体材料，由于其优越的特征正 在成为最重要的半导体材料之一。其中氮化镓是最早被利用的、研究得最充分的 第三代半导体材料。很强的键强度，决定了它的材料强度大，耐高温，耐缺陷， 不易退化，在器件应用上有很多的优点。与g a a s 相比，g a n 具有击穿电场高，热 导率高、介电常数小、禁带宽度大、电子饱和速度大、化学性质稳定、抗辐射能 力强等等优点，是制作高温、大功率、高频电子器件的理想材料u j 。 微波半导体器件是基于军用固态器件的要求，器件更加小型化、高可靠性、 低成本、宽频带、大功率等而研发出来的，g a n 器件正好符合这些要求。g a n 应 用比较广泛的是g a n h e m t ( h i 曲e 1 e c 仃o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r 一高电子迁移率晶 体管) ，其具有宽禁带、二维电子气浓度大、跨导大、截止频率高、噪声低和开关 速度快等特点，比其它材料更加适合做功率放大器。随着分子束外延及m o c v d 技术的发展，以及退火、腐蚀和刻蚀技术的发展，高电子迁移率晶体管、异质结 场效应晶体管、金属绝缘场效应晶体管等g a n 异质结应运而生。 g a n 器件具有广阔的应用范围，不仅仅是军事方面。g a n 由于其体积小，可 应用于无线通讯产品，包括手提电话、汽车移动电话等；由于其低噪声、高可靠 2 一 g a nh e m t 小信号等效电路参数提取 性、低成本，在电视行业也具有很广阔的发展空间；另外在汽车雷达等方面也具 有不可替代的优势。 因此，g a n 器件具有更加广阔的应用前景及研究价值。 1 2 本课题科研状况 h e m t ，又称为调制掺杂场效应晶体管( m o d f e t ) ，是一种利用高电子迁移 率，高电子密度的二维电子气( 2 d e g ) 导电的异质结金属一半导体场效应器件。 1 9 5 7 年，研制出宽能带发射极的异质结双极晶体管，1 9 6 0 年提出了描述异质结界 面积累电荷的行为模型，这一模型的提出引发了对异质结性能的广泛研究。1 9 6 9 年提出异质结界面的2 d e g 具有迁移率增强效应。1 9 8 0 年首次制造出了 a l g n s g a a sh e m t ，l9 9 1 年对a 1 g a n ga _ n 中存在的二维电子气进行深入研究， 1 9 9 2 年，k h a l l 等首次制作出了具有2 d e g 的a 1 g a n ga _ n 结构【1 5 】。h e m t 工作原 理和金属半导体场效应晶体管( m e s f e t ) 相似，主要区别在于h e m t 导电沟道 不掺杂，故载流子不会受到杂质散射，因而具有更高的电子迁移率，因此h e m t 在功率应用方面具有高功率增益和高效率的特点。 器件模型是对器件进行深入研究的基础，一个精确的模型是后续研究必须的 条件。为此，国内外研究人员对g a nh e m t 物理机理进行了深入分析，并在逐步 完善其等效电路参数模型。1 9 3 2 年j o l l s o n 等人将n h 3 通过热的液态g a ，第一 次合成g a n 多晶。1 9 6 8 年m a m s k a 和t i e t j e n 用h v p e 在蓝宝石衬底上生长出 g a n 外延层。之后人们又发展出了外延成核缓冲层的技术，使得在生长g a n 薄 膜方面有了很大的进步。在g a n 基功率放大器研究处于起步阶段，研究者运用 a 1 g a n g a nh e m t 制备出单片微波集成电路在8 g h z 频率下达到了1 1 5 d b 的增 益，3 5 d b m 的输出功率，性能较以前设计的功率放大器有很大提高。r j t r e w 等人设计的以s i c 为衬底的g a n 基功率放大器的功率附加效率3 0 左右，输出功 率已经达到1 2 w m m 。在研究了热导率高的s i c 衬底材料后j a n ejx u 等人用 a l g a n g a nh e m t 作为有源器件，采用当时比较新颖的l r c 匹配网络设计出的 功率放大器，在8 g h z 频率达到当时g a n 基电路最高的输出功率8 5 w ，将g a n 电路输出功率提高到一个新高度。 之后，g a n 功率放大器越来越受到研究者的重视，国外研究者改进了传统 a l g a n g a nh e m t 模型以适应功放设计更高的要求进而掀起功率放大器设计的 新高潮。jwp a l m o u r 等人用生长在s i c 衬底上的a 1 g a n g a nh e m t 制备的放大 器在1 0 g h z 频率下产生2 8 的p a e ，8 d b 的增益，5 0 1 w 的脉冲输出功率和3 6 w 的连续波功率。s a l l gy u nl e e 等人用a n n 模型技术设计了一种a l g a n g a nh e m t 功率放大器，这种a n n 技术针对栅宽1 n 珊、栅长1 胛的a 1 g a n g a nh e m t 在 第一章绪论 多种不同偏压下模拟其小信号热性，在l g h z 到2 6 g h z 频率使其计算出的s 参数 值接近测量出来的s 参数值，并用其模型模拟出结果表明在v 凼= 2 0 v ，i d s = 2 2 0 m a 偏压下a b 类放大器在8 g h z 频率的增益为7 d b ，输出功率为1 2 w ，与实际管子 测试结果相当吻合【1 2 】。同年s y e d si s l 锄等人也首次报道了g a n 基e 类功率放大 器，并采用一种新型的a 1 g a n g a nh e m t 小信号非线性模型，而不是以前常用 的开关有源器件模型，其负载匹配网络考虑了一些非理想因素引起的谐振元件的 q 值下降和i 讧电流崩塌，该e 类放大器用c 孤d e n c e 对几种结构的h e m t 进行 了仿真，用1 岫1 5 0 岬器件，在1 g h z 频率下输出功率和功率效率分别是9 3 m w 和7 2 【1 3 j 。j o n gw b o kl e e 等人为了提高p a e 又保证一定的线性度采用了b 类推 挽功率放大器，他们设计的这种宽带p a 采用1 5 m m 的a l g a n g a nh e m t 和一 种新型匹配，工作在4 5 9 5 g h z ，其中v 岳- 2 7 v ，v 醪1 3 5 v ，v g 。2 = 5 v 偏压下频 率为5 g h z 处输出功率超过1 1 0 w ，p a e 为2 7 ；v d s = 2 5 v ，v g s l = 一3 v ，v 昏2 = 5 v 偏压下频率8 g h z 处p a e 为2 0 2 3 。同年yc h u n g 等人也用a l g a n g a nh e m t 研究了工作在d c 到5 g h z 频率，小信号增益达到9 d b 的高功率宽带反馈放大器， v d s = 1 2 v ，v 嚣= 3 v 时在其中频带时p a e 为2 0 ，饱和功率为2 9 5 d b m 。 到2 0 0 2 年之后，功率放大器研究得到高速发展。b 1 1 l c em 研e e n 等人研究了 功率放大器的设计，特别是输入匹配电路的设计。在高热导率的s i c 衬底上制备 了具有高增益和高p a e 的宽带高功率c a s c o d e 砧ga _ n g a nh e m t 单片微波集成 电路，在o 8 g h z 的工作频率下输出功率达到了5 7 5 w ，p a e 达到2 0 一3 3 。 y o u n k y uc h u n g 等人研究了输出谐振终端对砧g a n g a nh e m t 功率放大器的影 响。用1 m m 栅宽的a l g a n g a nh e m t 作为有源器件产生了3 0 d b m 的输出功率 和5 5 的p a e 。s y e dsi s l 锄等人设计了g a n 基e 类功率放大器，仿真模型考虑 了大信号下的热效应和陷阱效应，1 g h z 下功率和p a e 分别为8 9 m w 和5 8 ， 3 8 g h z 下功率和p a e 分别为8 4 m w 和5 4 。j o n gw 6 0 kl c e 用到了两个1 5 m m 的a l g a n g a nh e m t 设计的推挽放大器达到了4 2 的p a e ，2 8 5 d b m 的功率。t l ( 1 ( a w a 等人研究了在5 0 v 偏压下达到2 5 0 w 功率的基于a l g a n ga _ n 的b 类传 输放大器，该放大器可以在6 0 v 的偏压下稳定工作长到l o o o 小时，结合d p d ( 数 字预失真系统) 在5 0 v 的漏偏压下，相对于载波w c d m a 信号只有低于5 0 d b c 的a c l r ( 邻近沟道泄漏功率比) ，第一次使a 1 g a n g a nh e m t 推挽功率放大器 满足w c d m a 的需求。h o n 西a 0 x u 等人首次报道了考虑场板影响的2 g h z 下的 a 1 g a n g a nh e m tm m i c 功率放大器，p a e 达到5 0 ，输出功率为3 7 5 d b m ，增 益为1 8 2 d b ，功率密度是5 6 w m m 。s a n t ow 等使用带场板结构g a nh e m t 的e 类功率放大器，输出功率达到1 3 4 w ，效率为9 1 ，可在3 3 0 v 工作电压下稳定 运行。w - uyf 等人通过对场板结构进行优化，制作的h e m t 器件在4 g h z ，漏压 1 2 0 v 下，输出功率密度为3 2 2 w m m ，功率附加效率为5 4 8 。美国h r l 实验 3 一 4 一 g a nh e m t 小信号等效电路参数提取 室jsm o o n 等人同时采用带场板和凹栅结构，使h e m t 在3 0 g h z ，2 0 v 漏压下， 输出功率密度达到5 7 w 倚1 m ，效率5 8 ，功率附加效率4 5 。k l l m a rv 等报道的 采用场板结构器件，最大电流密度为1 4 2 ，m m ，最大跨导密度为4 3 7 m s m m ，截 止频率和最高振荡频率分别为4 1 g h z 和6 3 g h z ，在1 8 g h z 频率下输出功率为 9 1 w m m ，功率附加效率为2 3 7 。u c s bg a os 研究小组采用带场板结构g a n h e m t 制作的f 类功率放大器，在2 8 g h z 频率下，输出功率为3 8 d b m ，功率附 加效率为4 6 。 国内关于这方面研究与国外研究水平有相当的差距，中电集团十三所报道了 采用场板结构器件，其中栅长为0 3 岬，场板长度0 3 7 岬，最高跨导达到了 3 2 5 m s m m ，为功率放大器设计奠定了基础 3 】。中电集团五十五所报道的功率放大 器在8 g h z ，3 6 v 工作电压下，用1 m m 器件输出功率达到1 0 1 w ，功率增益为 8 1 d b ，功率附加效率为4 5 。从国内外g a n 基功率放大器研究动态可以看出， a 1 g a n g a nh e m t 功率放大器研究涉及到材料、器件和电路。器件材料方面 a l g a n g a nh e m t 衬底材料已经采用热导率更高的s i c ，器件结构方面 a l g a n g a nh e m t 场板的研究已经比较成熟，耐压结构的研究成为热点。电路设 计方面各种匹配网络和各种类型的功率放大器研究结果表明创g a n g a nh e m t 应用范围在逐渐拓宽，电路产品方面a 1 g a n g a nh e m t 功率放大器正在逐步从 分立电路向集成电路发展。 1 3 本课题研究意义及内容 g a n 微波功率器件技术在我国不够成熟，为满足我国国防现代化的需要，缩 小与国外在这方面的差距，需要大力开展g a n 微波功率器件的研究。g a nh e m t 小信号模型是功率放大器研究的基础，一个满足电路设计精度的模型极为重要。 由于g a n 半导体器件在光显示、光存储、激光打印、光照明以及医疗和军事等领 域有着广阔的应用前景，g a n 器件的广泛应用将预示着光电信息乃至光子信息时 代的来临。而g a nh e m t 功放的前景更加诱人。因此，以g a n 为代表的第三代 半导体材料被誉为i t 产业新的发动机。 g a n 基器件广泛应用于高频领域，原来的1 4 元件模型在高频区域误差较大， 考虑到高频下的电容分布效应，对模型进行了改进，在此基础上进行小信号参数 提取。 本论文共分四章，第一章主要介绍本课题的研究背景和发展，展示出进行研 究的重要性。 第二章对g a nh e m t 器件的物理机理进行了深入分析，根据物理机理提出新 的等效电路拓扑结构。 第一章绪论 第三章对小信号等效电路模型参数提取方法进行了研究，详细介绍了提取过 程，并对大信号参数提取进行了理论分析。 第四章介绍了g a nh e m t 功率放大器的前景，并对全文进行了总结。 第二章g a n 髓m t 的物理机理及小信号模型z 第二章g a nh e m t 的物理机理及小信号模型 本章先对g a nh e m t 的物理结构进行了细致分析，接着对其特性特别是高 频下的特性进行分析，并在此基础上提出新的改进模型。 2 1g a n 材料特性 g a n 材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子 器件、光电子器件的新型半导体材料，并与s i c 、金刚石等半导体材料一起被誉 为是继第一代g e ，s i 半导体材料、第二代g a a s 、1 1 1 p 化合物半导体材料之后的 第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、较好的化 学稳定性( 几乎不被任何酸腐蚀) 、强的抗辐照能力等优点，在光电子、高温大功 率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。 2 1 1g a n 材料的特性 g a n 是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1 7 0 0 ，g a n 具有高的电离度( 0 5 ) ，在i i i v 族化合物中是最高的。在大气压力下，g a n 晶体 一般是六方纤锌矿结构。它在一个晶胞中有4 个原子，原子体积大约为g a a s 的 一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。 2 1 2g a n 的化学特性 在室温下，g a n 不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶 解。n a o h 、h 2 s 0 4 和h 3 p 0 4 能较快地腐蚀质量差的g a n ，可用于这些质量不高的 g a n 晶体的缺陷检测。g a n 在h c l 气氛中高温下呈现不稳定特性，而在n 2 气下 最为稳定。 2 1 3g a n 的电学特性 g a n 的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的g a n 在各种情况下 都呈n 型，最好的样品的电子浓度约为4 x 1 0 1 6 c m 3 。一般情况下所制备的p 型样 品，都是高补偿的。 很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了g a n 最高迁移率 g a nh e m t 小信号等效电路参数提取 数据在室温和液氮温度下分别为以= 6 0 0 c 朋2 1 ，j 和以= 1 5 0 0 c m 2 v j ，相应的载 流子浓度为n = 4 x 1 0 1 6 锄3 和n ：8 x 1 0 1 5 锄3 。近年报道的m o c v d 沉积g a n 层的 电子浓度数值为4 x 1 0 1 6 c i i l 3 、 1 0 1 6 c n l 3 ；等离子激活m b e 的结果为8 x 1 0 3 c l n 3 、 1 0 1 7 c m 3 【1 4 】。 未掺杂载流子浓度可控制在1 0 1 4 1 0 2 0 c i i l 3 范围。另外，通过p 型掺杂工艺 和m g 的低能电子束辐照或热退火处理，已能将掺杂浓度控制在1 0 1 1 1 0 2 0 c m 3 范围。 2 1 4g a n 的光学特性 人们关注的g a n 的特性，旨在蓝光和紫光发射器件上的应用。m a m s k a 和 t i e t j e l l 首先精确地测量了g a n 直接带隙能量为3 3 9 e v 。几个小组研究了g a n 带 隙与温度的依赖关系，p a n l ( o v e 等人估算了一个带隙温度系数的经验公式： d e d t ：一6 0 x 1 0 。4 v l 【。m o n e m a r 测定了基本的带隙为3 5 0 3 p 矿0 0 0 0 5 p 矿，在1 6 k t 为乞= 3 5 0 3 + ( 5 0 8 1 0 _ 4 ) 口一9 9 6 ) p y 。另外，还有不少人研究g a n 的光学特性。 2 1 5g a n 材料生长 由于g a n 晶体在其熔点处具有极高的氮蒸汽压，所以无法使用传统的生长方 法，如拉单晶法和区熔法来制备g a n 体晶材料。虽然g a n 体晶生长方法( 高氮 压熔法或a m m o n o 法) 一直得到了研究支持，但是到目前为止体晶生长方法仍 然存在大量的关键技术问题尚未解决，还无法进行实用化推广。因此，g a n 晶体 薄膜异质外延生长一直是获得g a n 晶体材料、各种i i i 族氮化物材料、异质结和 量子阱等材料结构的主要方法。 g a n 外延生长方法目前有三种：m o c v d 法、m b e 法和h v p e 法。通常来 讲，m b e 法得到的g a n 晶体质量最好，m o c v d 法次之，h v p e 法最差，因此 目前m b e 法和m o c v d 法可以直接用于生长g a n 有源层和舢g a n g a n 异质结 等，而h 1 汗e 法得到的g a n 外延层质量目前还无法直接用于器件制造，因此h v p e 法得到的g a n 外延层更多地作为m o c v d 法和m b e 法同质外延的衬底材料。 按照生长速率来比较，h v p e 法速率最高，m o c v d 法次之，m b e 法最低。 因此h v p e 法经常用作厚g a n 层( 1 0 5 0 0 u m ) 的生长，h v p e 法结合横向外延 过生长技术，生长结束后剥掉衬底就可以得到3 0 0 5 0 0 “m 厚的g a n 体晶基片。 而m o c v d 法和m b e 方法目前主要用于生长5 p m 以下的g a n 薄膜材料。 m o c v d 是金属有机化合物化学气相淀积( m e t a l o r g a j l i cc h e m i c a lv a p o r d 印o s i t i o n ) 的英文缩写。m o c v d 是在气相外延生长( v p e ) 的基础上发展起来 第二章g a nh e m t 的物理机理及小信号模型 窆 的一种新型气相外延生长技术。它以i i i 族、i i 族元素的有机化合物和v 、族 元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延 生长各种i i i v 族、i i v i 族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。 通常m o c v d 系统中的晶体生长都是在常压或低压( 1 0 一1 0 0 t o r r ) 下通h 2 的冷壁 石英( 不锈钢) 反应室中进行，衬底温度为5 0 0 1 2 0 0 ，用射频感应加热石墨基 座( 衬底基片在石墨基座上方) ，h 2 气通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机 物到生长区。m o c v d 技术与另一种新型外延技术一一分子束外延( m b e ) 技术 相比，不仅具有m b e 所能进行的超薄层、陡界面外延生长的能力，而且还具有 设备简单、操作方便、便于大规模生产等特点。 2 2g a nh e m t 器件的物理机理 2 2 1g a nh e m t 器件结构 g a n 按晶体结构可分为纤锌矿型g a n ( h g a n ) 和闪锌矿型g a n ( c g a n ) 两种结构，与其它v 族化合物相比，g a n 通常结晶为h g a n 。研究发现，g a n 的晶格常数随生长条件、杂质浓度和外延层化学剂的量比变化而变化，在较快的 生长速率下易获得较大的晶格常数。非掺杂g a n 均为n 型，p g a n 属于补偿材料， 可控制掺杂浓度在1 0 1 0 1 0 2 0 之间，采用对材料退火来实现p 型导电。氮化合物中 载流子的迁移率在低温时主要收到电离杂质的制约，高温时则主要受到光学波声 子的制约。n g a n 在室温和7 7 k 下的电子迁移率分别为1 5 0 0 c 聊2 y s 和 6 0 0 铡2 y s ，载流子浓度则分别为8 1 0 ”铡3 和4 1 0 1 6 铡3 。用于生长氮化物 的衬底材料已有多种，如蓝宝石、s i c 、s i 以及m g o 等，其中蓝宝石和s i c 最常 用。蓝宝石价格低，绝缘性好，以蓝宝石为衬底的器件寄生电容小，高频功率损 耗较少，其缺点是与g a n 之间应力较大，需在g a n 缓冲层生长之前先生长一层 灿n 成核层来释放应力，同时由于其热导率较低( o 4 2 w c 聊尼- 1 ) ，因此不适合 高温大功率应用，一般使用减薄衬底的方法来提高器件性能。s i c 价格昂贵，热 导率高，与g a n 晶格失配小，而且由于其导电性，在器件工作时起到了背场板的 作用，可以提高器件的击穿电压。 高电子迁移率晶体管( h e m t ) 是2 0 世纪8 0 年代初发展起来的一种极为实 用的异质结半导体器件。它的诞生与发展源于对超晶格材料的研究与认识。1 9 7 8 年美国b e u 实验室的r & d i n 9 1 e 等首次在分子束外延( m b e ) 生长的调制掺杂 g a a s a 1 g a a s 超晶格中观察到了相当高的电子迁移率，并指出这种现象的原因是 由于形成了几乎没有电离杂质散射的2 d e g 的缘故。1 9 8 0 年日本富士通公司研 1 0 g a nh e m t 小信号等效电路参数提取 制出h e m t ，也称为2 d e g 场效应晶体管( 简称2 d e g f e t 或t e g f e t ) ，由于 使用的是调制掺杂材料，又称为调制掺杂场效应晶体管( m o d f e t ) 。 图2 1 舢g a n g a nh e m t 器件结构1 4 1 a 1 g a n g a nh e m t 器件结构如图2 1 所示。 首先，在s i c 衬底上用金属有机物化学气相淀积( m o c v d ) 生长一层2 0 1 1 1 i l 厚的a l n 成核层，础n 层的主要作用是释放应力，减小衬底与g a n 缓冲层之间 的晶格失配，降低g a n 缓冲层中的缺陷密度。 其次，使用m o c v d 方法在a l n 上生长一层约3 岬厚的g a n 缓冲层和3 0 i l i n 厚a 1 摩尔组分为o 3 的硝g a n 势垒层，a 1 g a n g a n 异质结界面的高浓度二维电 子气充当器件的导电沟道。器件的源漏欧姆接触采用电子束蒸发方法蒸镀 t i a 1 n i a u 金属薄层，并在8 5 0 下退火得到。栅肖特基接触同样采用电子束蒸 发方法依次蒸镀n i a u 金属薄层得到。 新近发现有公司研发出一种新的a l g a n g a nh e m t 器件结构。器件结构采 用a l g a n 作为器件的缓冲层，其上是g a n 沟道层。沟道层上是双层a 1 g a n 隔离 层，其中下层a 1 g a n 的铝组分与a 1 g a n 缓冲层的铝组分接近，而上层舢g a n 的 铝组分更高。两个欧姆接触分别形成器件的源极和漏极。在源极和漏极之间用干 法刻蚀将最上一层高铝组分砧g a n 层刻蚀出槽，金属沉积在刻槽中形成栅极。刻 槽下的a 1 g a n 层因为极化电场不强，无法在沟道中诱导出二维电子气。沟道在此 处被夹断，形成增强型场效应晶体管，或称为常关器件。 通过s c h o 钍k y 接触来控制a l g a n g a n 异质结中的2 d e g 的浓度来实现电流 的控制，二维电子气来源于a l g a n g a n 异质结的极化效应，包括自发极化和压 电极化。自发极化是指晶体没有应变时已存在内建极化电场，该电场源于晶体晶 格不对称，形成共价键原子之间电负性不同，使得电子云偏向其中一个原子，表 现为在晶体两表面分别出现净的正、负电荷。压电极化指晶格由于应力作用而形 变时产生一极化电场。h e m t 器件是耗尽型的还是增强型，取决于a 1 g a n 层的厚 第二章g a nh e m t 的物理机理及小信号模型 度。在选取舢g a n 层中，随着a l 组分( 控制在3 0 左右) 的增加，二维电子气 浓度也增加，但是当a l 组分较大时，该晶体的表面质量将下降，给工艺带来困难。 刮揣篙l u 蒜d t l q 中- 3 7 一 ec e 图2 2a 1 g a n g a nh e m t 沟道能带结构图【1 0 】 a 1 g a n g a nh e m t 沟道能带结构图如图2 2 所示，势阱中电子来自于触g a n 一侧，电子与提供电子的杂质在空间上分隔开，二维电子气不受电离杂质散射的 影响，因此电子迁移率很高。 a 1 g a n g a nh e m t 器件，漏极电流可表示为： 厶：一以他( 石) 些盟 式( 2 1 ) 其中，形为沟道宽度，q c ( x ) 是单位表面积的沟道电荷，。是沟道电子迁移率， y ( 石) 是电势沿沟道的分布。 由 厶乓= r 厶出= 以形r c 文+ 丸一y ( x ) 一巧 d y ( x ) 式( 2 2 ) 得到 厶= 心c d 孚 ( + 九一巧) 吃一吾2 式( 2 3 ) 因此，纥较小时， 厶以c d 孚( 名+ 丸一巧) 吃 当较大时，漏电流饱和， 厶2 以c d 芝( + 丸吲2 式( 2 。4 ) 1 2 g a nh e m t 小信号等效电路参数提取 2 2 2 电容分布效应 电容就是由两个存在压差而又相互绝缘的导体所构成。所以在任何电路中， 任何两个存在压差的相绝缘的导体之间都会形成分布电容，只是大小问题。一般 在高频电路和精密仪器中尤其要注意采取措施降低分布电容影响。 容抗计算公式： k = 赤 其中厂为频率，c 为电容。 由于电路的分布特点而具有的电容叫分布电容。例如线圈的相邻两匝之间、 两个分立的元件之间、两根相邻的导线间、一个元件内部的各部分之间，都具有 一定的电容。在印制电路板中，元件布局、绝缘材料性质、走线布局等都影响分 布电容。它对电路的影响等效于给电路并联上一个电容器，这个电容值就是分布 电容。容抗是与频率成反比的，在低频交流电路中，分布电容的容抗很大，对电 路的影响不大，因此在低频交流电路中，一般可以不考虑分布电容的影响；高频 容抗下降迅速，所以对高频电路影响很大，即高频电路中很小的分布电容都可能 影响电路稳定性，因此，高频下，必须考虑器件的电容分布效应。 2 3 信号参数矩阵 2 3 1 二端口网络的信号参数矩阵 工1 1 j z ，y 1 图2 3z ，y 参数表示的二端口网络示意图 这里我们用到的有两种参数矩阵：阻抗参数( z