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

摘要 摘要 a i 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，而 第三代移动通信( 3 g ) 时代的到来，对微波功率器件的性能提出了更高的要求： 一方面要求功率器件能提供更高的最大输出功率密度，另一方面要求功率器件能 在更高的频率下保持较高的输出功率附加效率( p o w e ra d d e re f f i c i e n c y , p a e ) 。提 高最大输出功率密度要求功率器件具有更高的工作电压，这就对器件的击穿电压 提出了更高的要求。而电流崩塌引起的d c r f 散射被认为是降低输出功率附加效 率的最大元凶。 在此背景下，本文对场板结构a i g a n g a nh e m t 器件( a i g a n g a n f p h e m t s ) 进行了一系列研究。主要研究结果如下： l 、成功制造出了直流特性好，击穿电压高的a i g a n g a nf p h e m t 器件，并 研究了击穿电压的测量方法。 2 、研究了场板结构提高击穿电压的机理。 3 、研究了a i g a n g a nf p h e m t 器件的电流崩塌机理，在得到低电流崩塌效 应器件的同时，解释了高漏偏压下场板的尺寸对器件抑制崩塌的能力有较大影响 的原因。 4 、鉴于场板结构会增大栅漏寄生电容，从而引起微波功率特性的退化，结合 仿真与实验，对所制作的a i g a n g a nf p h e m t 器件的场板尺寸进行了优化。通 过优化场板长度，器件击穿电压提高了6 4 ，并且实验结果与模拟结果相符。 综上所述，本论文成功地从理论上、模拟仿真上以及实验上对a i g a n f p h e m t 器件进行了深入的研究。优化了场板的尺寸，在获得高击穿电压，低电 流崩塌效应的高性能器件的同时，尽可能少的引入场板寄生电容。 关键词：g a n ，高电子迁移率晶体管，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 a i g a n g a nh i g he l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r s ( h e m t s ) a r er e g a r d e da st h ei d e a l m i c r o w a v ep o w e rd e v i c e si n1 - 5 0 g h zf r e q u e n c yr a n g e m i c r o w a v ep o w e rd e v i c ep l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t om e e tt h ef u t u r en e e df o rt h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m i c r o w a v ep o w e rd e v i c es h o u l dh a v e f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：h i g h e ro u t p u tp o w e rd e n s i t i e s ，h i g hp o w e ra d d e re f f i c i e n c y ( p a e ) a th i g h e rf r e q u e n c y t oo b t a i nh i g h e r o u t p u tp o w e rd e n s i t i e s ，t h ep o w e r d e v i c e ss h o u l dw o r ku n d e rh i g h e rv o l t a g ec o n d i t i o n ，w h i c hr e q u i r i n gd e v i c e sw i t hh i g h b r e a k d o w nv o l t a g e p o w e ra d d e re f f i c i e n c yi sk n o w nt ob eo f t e nl i m i t e db yd c t o r f d i s p e r s i o n c u r r e n tc o ll a p s e ，p r e v e n t sp r o p e rd e v i c eo p e r a t i o n ，c a u s i n gd c t o r f d i s p e r s i o na sw e l la sd e g r a d i n gt h ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c s i nt h ed i s s e r t a t i o n ，as e r i e so fi n v e s t i g a t i o n so na i g a n g a nf p h e m ta r e p r e s e n t e d 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 ，f a b r i c a t ea i g a n g a nf p h e m t sw i t hg o o dd cc h a r a c t e r i s t i ca n dh i g h b r e a k d o w nv o l t a g es u c c e s s f u l l y 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 n v o l t a g ei s a l s op r e s e n t e d 2 s e c o n d 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 e i ss t u d i e d t h ee f f e c t so f r 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 r ed i s c u s s e d 3 c u r r e n tc o l l a p s em e c h a n i s mo ff i e l d p l a t e da i g a n g a nh e m t si ss t u d i e d a f t e rt h o r o u g h l ya n a l y z i n g ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tf ps t r u c t u r en o to n l yr e s t r a i n st h e t r a p p i n go fv i r t u a lg a t e ，b u ta l s od i s c h a r g e sv i r t u a lg a t e ，t h u sa 1 g a n g a nf p h e m t s r e s t r a i nc u r r e n tc o l l a p s ew e l l a tl a s t ，ad i s c h a r g i n gm o d e lo fd i e l e c t r i cu n d e rf pi s p r e s e n t e dt oe x p l a i nt h ee f f e c to ff pl e n g t hi nc u r r e n tc o l l a p s er e m o v a l 4 c o n s i d e r i n go ft h eg a t e - t o d r a i nc a p a c i t a n c ei si n c r e a s e db ya d a p t i n gt h ef i e l d p l a t es t r u c t u r e ，t h u sd e g r a d e st h ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c ，t h eg e o m e t r i c a lo p t i m i z a t i o no f a i g a n g a nf p - h e m t si so p t i m i z e d a f t e ro p t i m i z i n gf i e l d p l a t el e n g t h ( l f p ) i nt h i s p a p e r , t h eb r e a k d o w nv o l t a g e ( v b r ) h a sb e e ni n c r e a s e d6 4 g o o da g r e e m e n tb e t w e e n e x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nd a t ai sa c h i e v e d 2 a i g a n g a nf p h e m t s 研究 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 b yo p t i m i z i n gt h ef i e l dp l a t el e n g t h ，a i g a n g a nf p - h e m t sh a v eb e e n a c h i e v e dh i g hb r e a k d o w nv o l t a g ea n dl o wc u r r e n tc o l l a p s ee f f e c tw h i l eb r i n g sl o w g a t e t o d r a i nc a p a c i t a n c e 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 t c 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1 ：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，本人承担一切相关责任。 本人签名： 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。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 住解密后遵守此规定) 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： f i 期出：! 地 嗍昧 第一章绪论 第一章绪论 1 1g a n 微波功率器件的优势 无线通信技术讵在快速地渗透到娱乐、商业、军事等几乎所有领域的人类活 动，2 0 0 7 年1 1 月，国际电信联盟( i t u ) 划定了3 g 4 g 的四个新频段，预示着第 三代移动通信( 3 g ) 时代的即将全面到来。微波功率晶体管在当今的无线通信中 发挥着重要的作用，而3 g 对微波功率器件的性能提出了更高的要求。作为化合物 半导体微波功率器件的g a a sm e s f e t ，在过去2 0 多年的发展中其性能几乎达到 了材料的极限。二十世纪八十年代初g a a sm e s f e t 的最高输出功率已达到 1 4 0 w m m 8 g h z 【i 。虽然后来人们不断尝试各种方法提高其性能，但是功率密 度的提高非常有限，最高功率密度只达到1 5 7 w m m 1 1 g h z 12 1 ，而且这是在牺 牲工作频率的情况下获得的。 为了满足未来无线通信应用( 特别是无线基站、雷达等) 对微波大功率器件 的需要，从二十世纪九十年代初开始，研究人员开始将研究的重心转向宽禁带半 导体器件1 1 3 j 。表1 1 给出了几种重要的半导体材料的基本参数】。从中可以看出， 同s i 、g a a s 相比，宽禁带半导体具有独特的、优越的材料特性，如禁带宽度大、 击穿场强高、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特点，从而使得 宽禁带半导体材料非常适合于微波大功率应用。 表1 1 几类常见半导体材料参数比较 热导率击穿场强电子饱和速度 材料 禁带宽度 介电常数 ( w k c m )( v c m ) ( c n d s ) s i1 1 21 1 9 01 5 0 3 0 0 1 0 51 0 0 1 0 7 g a a s 1 4 31 2 5 0 o 5 44 0 0 x1 0 5 2 0 0 1 0 7 i n p1 3 41 2 4 0o 6 7 4 5 0 1 0 51 0 0 1 0 7 4 h s i c 3 2 01 0 0 0 4 o ol 5 1 0 62 o o x1 0 7 6 h s i c3 0 0l o o o4 0 0 1 5x1 0 62 0 0 1 0 7 g a n3 4 09 5 01 3 0 3 5 0 1 0 62 5 0 1 0 7 通常用于表征半导体材料微波大功率应用潜力的指标有两个：j o h n s o n 品质因 数【1 5 】和b a l i g a 品质因数【1 6 】。 j o h n s o n 品质因数的表达式为： 7 2 2 j m f = 掣孚 ( 1 1 ) 2 a i g a n g a nf p h e m t s 研究 其中r 为击穿电场强度，y 。为电子饱和速度。 b a l i g a 品质因数的表达式为： b f o m = e o , u 鹾 ( 1 2 ) 其中，o 为介电常数，为迁移率，e r 为击穿电场强度。 表1 2 给出了以s i 的品质因数作为单位“l ”然后利用表1 1 数据得到的j o h n s o n 品质因数和b a l i g a 品质因数。从表1 2 可以明显看出，宽禁带半导体s i c 和g a n 非常适合于微波大功率应用，因此s i c 和g a n 材料的微波功率器件成为近十年来 研究的热点。 表1 2 儿种重要j f 导体材料的微波大功率应用潜力 s ig a a s6 h s i cg a n j m f1 0 01 1 o o4 1 0 o o7 9 0 0 0 b f o m1 o o1 6 o o3 4 0 01 0 0 0 0 g a n 晶体具有很好的电学特性，如宽禁带宽度( 3 4 e v ) ，高击穿电场( 5 1 0 6 v c m ) 等。和s i c 相比，g a n 材料的不足主要在于它的热导率没有s i c 的高，但是 g a n 的迁移率又t t , s i c 高。更为重要的是，g a n 可以形成调制掺杂的a i g a n g a n 异 质结，由于极强的压电极化电场和自发极化电场的存在【l 7 j ，即使是在没有任何掺 杂的情况下，在a i g a n g a n 异质结的界面也可以形成高密度的二维电子气 ( 2 d e g ) ，同时该二维电子气具有很高的迁移率( 大于1 5 0 0 c m 2 v s ) ，可以获得极 高的峰值电子速度( 3 0 1 07 c m s ) 和饱和电子速度( 2 0 1 0 7 c m s ) 。 现有研究已经表明，s i cm e s f e t 微波功率器件的截止频率和最高振荡频率都 在2 0 g h z 范围以内，所以s i cm e s f e t 微波功率器件最适合在7 g h z 以下的频率范围 内使用。而由于在a 1 g a n g a n 异质结界面形成的二维电子气具有很高的迁移率和 面密度，所以a 1 g a n g a nh e m t 器件更适合于微波大功率应用，而且可以利用s i c 的高热导率特性，在s i c , 寸底上生长a i g a n g a nh e m t 器件结构。a 1 g a n g a n h e m t 器件已经被认为是1 5 0 g h z 范围内最为理想的微波功率器件。 另外，由于在材料生长工艺和器件工艺技术方面，g a n 领先于其它宽禁带半 导体( 如金刚石) ，所以，在微波大功率应用中g a n 器件更具吸引力。因此，g a n 微波功率器件，特别是a i g a n g a nh e m t 器件在国外得到优先的研究。 第一章绪论 1 2a i g a n g a n 材料与h e m t 器件发展历程以及本文的研究意义 1 2 1a i g a n g a n 材料与h e m t 器件发展历程 3 a i g a n g a n 异质结材料的电特性远远超出了g a n 体晶材料的电特性，因此， 从1 9 9 4 年至今a i g a n g a n 异质结材料的生长和a i 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 等人在蓝宝石衬底上制造出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 i g a n g a n 界面二维电子气( 2 d e g ) 的存在。该 a i g a n g a n 异质结2 d e g 的室温迁移率为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 。 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 i 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 1 8 1 ；1 9 9 5 年，低温迁移率达到5 0 0 0 c m 2 v s 1 _ 9 】；1 9 9 6 年，低温迁移率 提高到5 7 0 0 c m 2 v s 1 1 0 】：1 9 9 9 年，低温迁移率提高到1 0 3 0 0c m 2 v s 1 川。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。 a i g a n g a n 异质结材料性能不断提高的同时，a i 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 衬底a i g a n g a nh e m t 器件获得了高达 9 2 w m m 8 g h z 的功率密度1 2 】。2 0 0 1 年v i n a y a kt i l a k 等人制造的s i c 衬底 a i g a n g a nh e m t 器件获得了l o 7 w m m 1 0 g h z 1 1 3 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l1 7 w m m 1 0 g h z 的s i c 衬底a i g a n g a nh e m t 器件 1 1 1 4 j 。这近似为g a a sp h e m t 器件功率密度的十倍。2 0 0 5 年，a i g a n g a nh e m t 器件的微波功率特性取得了很大的突破：日本富士通公司研制出功率达到2 5 0 w 的 a 1 g a n g a nh e m t 器件1 5j ，该器件具有很高的可靠性：r fm i c r od e v i c e s 的 v e t u r yr 等人报道了功率密度为2 2 7 w m m 2 1 4 g h z 的a i g a n g a nh e m t t 引， 其输出功率附加效率( p o w e ra d d e re f f i c i e n c y , p a e ) 达到5 4 ：r o c k w e l ls c i e n t i f i c c o m p a n y 的b o u t r o sk s 等人报道了栅长为1 0 0 n m 的a i g a n g a nh e m t s 器件1 1 1 7 j ， 在饱和电流为1 5 a r n m 时其跨导为3 5 0 m s r a m ，截至频率f t 为1 5 2 g h z ，其最大振 荡频率f m a x 为1 7 3 g h z 。2 0 0 6 年，m a e k a w aa 等人成功丌发出5 0 0 w 的a i g a n g a n h e m t 功率放大器引，该放大器由四个h e m t 芯片组成，工作在1 5 g h z 下具有 高的线性增益1 7 8 d b 。2 0 0 7 年，日本e u d y n ad e v i c e s 实验室的e i z om 等人报道了 功率达到8 0 0 w 的a i g a n g a nh e m t 功率放大器【9 1 ，其工作在2 9 3 3 g h z 功率 附加效率为5 0 ，线性增益为1 4 0 d b ；同年，南罗莱纳州大学k o u d y m o va 等人 4 a i g a n g a nf p h e m t s 研究 报道了高功率附加效率的a i g a n g a nh f e t 1 2 0 1 ，其功率密度2 0 w m m 2 g h z ， 其功率附加效率最高为7 4 。 可见，a i g a n g a nh e m t 器件所具有极好的微波大功率特性大大地增强了 g a n 微波功率器件研究和应用日 景。 1 2 2 本文的研究意义 尽管a i g a n g a nh e m t 器件在微波大功率特性方面取得很大的进步，但是仍 然存在两个问题需要我们去解决：一个是如何进一步提高最大输出功率，另一个 是如何保持较高的输出功率附加效率( p o w e ra d d e re f f i c i e n c y , p a e ) 。l l 2 l j 器件在放大区的最大输出功率可以表示为： 1 p = 鼍io s m 镬w b 陋a k 阻，鼎一y k n e e 、) ( 1 3 、) o 式中i d s , m a x 和v k n e e 分别为器件在直流扫描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，击穿电压或者输出电流的提高，能够增大最大输出功 率，但是，大电流工作条件下会带来散热等一系列令人烦恼的问题，所以，通常 希望提高击穿电压来使器件工作在高压下，从而得到大的输出功率。 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 ) 是评价器件微波功率特性 的另一个重要标准。要得到高的输出功率附加效率，就需要降低器件的各种寄生 电容，而电流崩塌引起的d c r f 散射被认为是降低输出功率附加效率的最大元凶。 可见，要提高最大输出功率密度，同时保持输出功率附加效率，就需要我们 去找到一个具有这样特性的器件：高击穿电压，低电流崩塌效应。通常采用在栅 漏之间淀积钝化层的方法来抑制器件的电流崩塌效应，但这会降低器件的击穿电 压。 场板技术的的运用，极大地提高了a i g a n g a nh e m t 器件在微波大功率特性。 采用场板结构能大幅度提高器件的击穿电压，又能进一步抑制电流崩塌，从而解 决了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盾，提高 了器件的功率密度、功率附加效率和相关增益。需要注意的是场板的引入会增大 器件的栅漏寄生电容，从而影响器件的功率附加效率。 因此，研究场板器件的电流崩塌机理，优化场板的尺寸，在获得高击穿电压， 低电流崩塌效应的同时，尽可能少的引入场板寄生电容，是一件非常有意义的事 情。 第一章绪论 1 3f p h e m t s 国际国内研究现状 2 0 0 0 年，z h a n g 【i 。2 2 j 等人报道了利用重叠栅结构( 也是场板结构的一种) 的g a n h e m t 器件，击穿电压达到了5 7 0 v 。接着，k a m a l k a r 【12 3 j 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 。然而，那时候，制造 的器件因为截止频率较低，不适于微波应用。2 0 0 3 年，a n d o 1 2 4 j 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 下输出功率1 0 w 的结果。c h i n i 卜2 5j 等人，采 用了一种新的场板设计进一步减小了栅长，在4 g h z 下获得了1 2 w m m 的功率密度， 2 0 0 4 圭g ，x i n g 【l 2 6 j 等人报道了利用多层场板结构的a i g a n g a nh e m t 器件，当栅长为 1 5 9 m ，栅漏间距从4 9 m 至1 2 8 p m 变化时，最大击穿电压为9 0 0 v 。w u t l 27 l 等人报道了 利用单层场板结构，当器件工作电压为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 4 8 。随后，场板技术的进一步优化， 极大提高了器件的最大功率附加效率，2 0 0 7 年，d a v i d 卜2 8 j 等人报道了利用单层场 板结构器件制作的f 类放大器在2 g h z 时最大功率附加效率达到了8 0 。 如今国际流行的场板结构分为以下四种：均匀场板、台阶场板、多层场板、 双场板。下面给出各自的大致介绍： 1 ) 均匀场板： 均匀场板如图1 1 、1 2 所示，场板下方钝化层厚度均匀。前者场板通过金属 线与栅极或源极相连，可形成栅终端场板结构和源终端场板结构；后者场板为栅 极向漏端延展形成，被称为非对称g a m m a 栅结构。与前者相比，虽然后者的栅电 阻更小，但栅漏电容比较大，功率增益和功率附加效率较小。jl i 矛l j sjc a i 12 9 】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 9 m 时，击穿电压大于l1 0 v 。 r v e t u r y o 】等人制作成功均匀场板g a n 基h e m t ，v d s = 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 a1 g a n g a nf p h e m t s 研究 a l g a n 。 2 d e g g a n 图1 2g a n 基h e m t 器件均匀场板结构一非对称g a m m a 栅 2 ) 台阶场板： 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，则击穿电压随着电场峰值数目的增多而增大。通过刻蚀工艺形成台阶 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 穿时的电场分布示意图如图1 3 所示，栅极边缘、台阶处、场板边缘各存在一个电 场峰值，与均匀场板结构相比，电场峰值数量增加，电场曲线覆盖面积增大，击 穿电压增大。s k a r m a l k a r 1 3 1 l 等人报道了采用单层台阶场板用于功率开关的g a n 基 h e m t ，击穿电压高达1 0 0 0 v 。 第一章绪论 电 场 强 度 s l 导? ? 堵川巾 i d v q a sn i f 、 a i g a n 2 d e g g a n 离开源极的距离 图1 3g a n 基h e m t 器件台阶场板结构与其临界击穿时的电场分布示意 7 3 ) 多层场板： 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 频漂移和栅泄漏电流。相比于均匀场板，双层场板临界击穿时其电场分布存在四 个电场峰值，覆盖面积增大，提高击穿电压。x i n g 1 2 6 1 等人报道了场板长度为0 5 0 7 p m ，双层场板器件的击穿电压为9 0 0 v 。 a i g a n g a nf p h e m t s 研究 电 场 强 度 离开源极的距离 图1 4g a n 基h e m t 器件多层场板结构与其临界击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。s h r e e p a dk a 咖a l k a r f l 3 2 1 等人报道了此种场板结构g a n 器件模拟击 穿电压大于1 0 0 0 v 。 第一章绪论 电 场 强 度 s f p1f p2d 殇笏一 物 a l g a n 2 d e g g a n 离开源极的距离 图1 5g a n 基h e m t 器件双场板结构与其临界击穿时的电场分布示意 9 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 上流行的是前两种，以下重点介绍栅终端场板、源终端场板的特点。 1 ) 栅终端场板： 为了使栅极和场板间电容效应最小，栅极一般与场板短接。采用场板结果后， 器件的击穿电压提高几倍，其输出功率、功率附加效率都比无场板器件大得多。 但场板沟道电容会转变成附加的栅漏电容，减小了h e m t 器件的截止频率f t 、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： 因为栅极和源极间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【i 3 3 1 。场板与源极相连使得场板沟道电容转变 为源漏电容，在输出调谐回路中可被电感抵消掉，克服了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 f l3 3 1 等人报道了源终端场板结构g a b i i o ai g a n g a nf p h e m t s 研究 h e m t 器件4 h z 频率下取得2 1 d b 大信号增益，1 1 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 研究是从二十世纪九十年代初开始。最初主要的研究单位有中科院半 导体所、中科院物理所和南京大学。2 0 0 0 年以后国内才开始重视a i g a n g a nh e m t 器件的研究，国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 技术等方面，在场板作为国际热点而研究的同时，国内由于受材料和工艺的限制， 研究较少。 虽然国际上有关场板技术及其优化的报道比较多，而且有些对我们有直接的 借鉴意义。但是技术问题毕竟不同于学术问题，别人解决了并不等于我们中国解 决了，设备，工艺条件的不同会带来很多的差异。因此场板器件还需要我们来进 一步研究。 1 4 本文的主要工作与安排 本文的研究是在国家重大基础研究( 9 7 3 计划) 等项目的支持下所开展 a i g a n g a nf p h e m t 器件及其相关基础研究。首先从对场板对a 1 g a n g a n h e m t 器件的影响作了深入的研究与分析，制作了高击穿电压的a i g a n g a n f p h e m t 器件：其次，研究了a i g a n g a nf p h e m t 器件的电流崩塌机理，并建 立了场板器件抑制电流崩塌过程的简化物理模型；最后，从实验与模拟两个角度 对场板尺寸器件特性的影响进行研究，通过实验与模拟结合，优化了a 1 g a n g a n f p h e m t 器件的场板尺寸，在尽可能少地引入场板寄生电容的条件下，得到了击 穿电压高，电流崩塌效应低的a 1 g a n g a nf p h e m t 器件。 具体章节安排如下： 第一章为绪论，介绍了国内外a 1 g a n g a nf p h e m t 器件的研究成果与现状 以及本文的研究意义。 第二章介绍了a i g a n g a nf p h e m t 器件的制作工艺流程，以及击穿电压测 试方法，得到了高击穿电压的a i o a n g a nf p h e m t 器件，并分析了场板结构提 高器件击穿电压的原理。 第三章研究了a i g a n g a nf p h e m t 器件的电流崩塌机理，建立场板器件抑 制电流崩塌过程的简化物理模型。 第四章通过实验与模拟结合，优化了a i g a n g a nf p h e m t 器件的场板尺寸。 第五章给出了本文的结论。 第二章a 1 g a n g a nf p - h e m t s 的制造与击穿电压的测试方法 i i 第二章a 1 g a n g a nf p h e m t s 的制造与击穿电压的测试方法 本章首先介绍了a 1 g a n g a nh e m t s 制作的工艺流程，而a 1 g a n g a n f p h e m t 器件则在a l g a n g a nh e m t s 基础上，增加一层钝化层并再在其上制作 场板，最后用将栅与场板在p a d 上相连接制作而成。通过对同一f p h e m t 器件 击穿电压的测量，对比了两种不同的击穿电压测量方法，指出了常规测试击穿电 压的二端法的缺陷，从而确定了利用d c i t 法来测试击穿电压。最后得到了直流特 性好，击穿电压较高的a 1 g a n g a nf p h e m t 器件。 2 1 a 1 g a n g a nf p h e m t s 的制造 2 1 1 a i g a n g a nh e m t s 制造的工艺流程 与其它器件工艺相比较，h e m t 工艺相对比较简单。一个完整的a 1 g a n g a n h e m t 的制造通常只需以下三步关键工艺即可：台面隔离刻蚀、源漏欧姆接触和 肖特基栅接触。下面针对a i g a n g a n 异质结材料的基本器件工艺作一下介绍。 【2 1 1 1 2 2 1 1 刻蚀技术 刻蚀是g a n 电子器件制造工艺中非常重要的一步，由于g a n 材料是极稳定的 化合物，其键能达到了8 9 2 e v ，在室温下g a n 不溶于水、酸和碱，所以目前还没 有开发出实用的湿法刻蚀技术用于栅槽和台面隔离的刻蚀。因此g a n 和a i g a n 的刻蚀常用干法刻蚀方法。与传统的湿法刻蚀比较，干法刻蚀技术具有各向异性、 对不同材料选择比差别较大、均匀性与重复性好，易于实现自动连续生产等优点。 常用的于法刻蚀方法有c l 基反应离子刻蚀( r i e ) 、c 1 基感应耦合等离子体刻蚀 ( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ：i c p ) 、c l 基e c r 刻蚀等。i c p 以其廉价的等离子 体和高的刻蚀速率等特点受到了更多的关注，i c p 各工艺参数对g a n 刻蚀速率的 影响也被广泛研究。 2 欧姆接触 金属与半导体接触时可以形成整流接触和非整流接触两种接触，其中非整流 接触即是欧姆接触。欧姆接触不产生明显的附加阻抗，并且不会使半导体内部的 平衡载流子浓度发生显著的改变。目前，金属淀积常用的工艺有电子束蒸发和磁 控溅射等，常用的欧姆接触金属主要有：t i a i n i a u ，t i a 1 p t a u 和t i a i t i a u 等。 3 肖特基接触 a i g a n g a nf p - h e m t s 研究 肖特基栅质量好坏是a i g a n ( 3 a n h e m t 器件特性的决定性园素之一，栅泄漏 电流是低频噪声的主要来源，栅反向击穿电压决定着器件的工作电压和功率容限。 为了降低肖特基栅的漏电和提高栅反向击穿电压，需要在a i g a n g a n 异质结构上 制作高质量的肖特基接触。g a b 与金属形成的肖特基势垒主要还是由功函数差冼 定的，园此不同金属与g a n 的接触可以形成不同的肖特基势垒高度。n i a u 是最 常用于a i g a n g a n h e m t s 制造的肖特基接触金属。 图2l 为h e m t 重要工艺流程示意图。在每步工艺之前还有清洗、表面处理 等细节工作在表2l 中列出。 图21h e m t 制蔷工艺流程示意图( 引自王冲博士论文) 有关于a i g a n g a nh e m t 器件制作的具体工艺流程如下表所示 表2 i ：h e m t 制各工艺流程表 工艺步骤工艺条件 基片消洗 丙酮、乙醇、盘离子水超声，氮气魄干 淀积s j 0 2 1 0 0 2 0 0 n m 台面光刻正腔 腐蚀形成掩模h f 溶液 i c p 刻蚀上电极6 0 0 w 偏压1 $ 0 v 压力i p a , c 1 2 a t - 3 ；1 ，深度3 0 0 n m 腐蚀占除；蚀掩模丙酮、h f 溶渣，氮气吹于 源精光刻止腔 氧打底膜上电楹6 0 0 w ，压力3 p a ，o z1 0 s c e m ， 源漏金属蒸发 t f f a i n i a u ( 3 0 r i m 1 8 0 n m 4 0 n m 6 0 n m ) i金属剥离 丙酮、乙醇超声，氯气吹干 杯漏金属退火 n 2 气氛中，8 3 0 ( 23 0 s 栅此刻 止胶 第二章a 1 g a n g a nf p h e m t s 的制造与击穿电压的测试方法 1 3 氧打底膜上电极6 0 0 w ，压力3 p a ，0 21 0 s c c m ， 栅金属蒸发n i a u ( 3 0 n m 2 0 0 n m ) 金属剥离丙酮、乙醇超声，氮气吹干 电极光刻止胶 氧打底膜 上电极6 0 0 w ，压力3 p a ，0 21 0 s c c m ， 电极金属蒸发 t i a u ( 2 0 n m 1 0 0 n m ) 淀积钝化层 s i 3 n 4 或s i 0 2 电镀加厚电极 a u ( 1 5 9 m ) 2 1 2a 1 g a n g a nf p h e m t s 的制造 实验中a i g a n g a n 异质结材料样片是m o c v d 制备的。衬底为( 0 0 0 1 ) 面单 面抛光蓝宝石。先在5 2 0 下生长厚度约为3 0 n m 的g a n 成核层，接着在高温下 依次生长厚度约为l g m 的g a n 缓冲层，8 n m 厚的未掺杂a i g a n 层以及1 6 n m 厚的f s i 掺杂a 1 g a n 层，其中s i 掺杂浓度为1 o 1 0 1 8 2 0 1 0 1 8 c m 。测量得到的a 1 g a n 层的a l 组份为2 7 ，h a l l 效应测量显示室温下该材料的方块电阻为3 1 2 0 o ，电子 迁移率为1 2 3 4 c m 2 v s ，电子面密度为1 6 2 x 1 0 1 3 c m 一。 在台面隔离之后，用电子束蒸发作欧姆接触，t i a 1 n i a u ( 2 0 0 1 2 0 0 5 5 0 4 5 0 a ) ，再在n 2 气氛下进行快速热退火( 二次退火，8 3 0 ，3 0 s ； 2 0 0 ，1 0 s ) ，再做上n i a u ( 2 0 0 2 0 0 0 a ) 作栅极。 。 在常规h e m t 制作测试之后，将s i 0 2 ( 1 5 0 0 a ) 作钝化层，再在上面做金属 n i a u ( 2 0 0 2 0 0 0 a ) 作场板。 为了做出相应的对比，我们在同一基片上也生长了常规h e m t 器件。 图2