（微电子学与固体电子学专业论文）高k栅介质algangan+moshemt器件研究.pdf

摘要 摘要 论文首先研究了基于g a n 及其三元合金a l g a n 的a l x g a l - x n g a n 异质结材 料系统和3 3 0 3 4 0 n m 紫外v ) a l x g a l x n 几u y g a l 叫n ，a l x g a l x n g a n 多量子阱材料 系统。分析了a l 。g 慨1 x n g a n 异质结材料中二维电子气( 2 d e g ) 的来源，测量分析 了砧，g a l 呻j 吖g a n 异质结材料中2 d e g 迁移率及面密度的高温特性。使用x 射线 衍射c ( i ) 对a l x g a l n a l y g a l - y n 多量子阱材料的结构进行了分析。室温下光致 发光( p l ) 谱测量表明a 1 x g a i x n ，a l y g a l y n 多量子阱发光强度比a l x g h l 朋a n 多 量子阱高一个数量级以上。使用变温p l 谱研究了舢x g a l x n a l v g a l - v n 和 a l x g a l x n g a n 多量子阱材料中的激子局域化效应，研究结果表明 a l x g a l 啭n a l v g a l 叫n 多量子阱具有比烈x g a l - x n g a n 多量子阱更强的局域化效应， 强的局域化效应能够有效降低激子对舢x g a l x n 厂a j v g a l 叫n 多量子阱中缺陷的敏感 度，从而提高发光效率，使其内部量子效率明显高于a l x g a l x n g a n 多量子阱， 更适合作为3 3 0 3 4 0 n m 多量子阱发光材料。使用变功率p l 谱研究了 a l x g a l 。【n a l v g a l 叫n 多量子阱和a l x g a l n g a n 多量子阱中量子限制斯塔克效应 ( q c s e ) 对于量子阱发光的影响，研究表明a l x g a l x n a 1 y g a l 叫n 多量子阱中应力相 对较弱，斯塔克效应也弱，具有相对高的发光效率。最后通过直流和脉冲电致发 光( e l ) 比较研究了a l x g a l 叼【n ，a l y g a l ，n 多量子阱中的热问题，发现在脉冲条件下， 热作用消除后，e l 发光波长基本不随脉冲电流的增加而变化，但发光线宽仍然随 着脉冲电流的增加而增加，这说明发光线宽的增加还与其它因素有关。 论文通过电容电压( c v ) 分析研究了制作的高k 介质a l g a n g a n 金属氧化 物半导体( m o s ) 电容的基本特性，计算得到了高k 介质a 1 g a n g a nm o s 电容中 的载流子浓度分布及面密度。通过c v 滞后特性分析了高k 介质的质量以及高k 介质与a 1 g a n 势垒层之间界面的质量，并使用c v 滞后法对界面态密度进行了 计算。使用光照c v 法估算了a 1 2 0 3 a l g a n 之间的界面态密度。分析了高k 介质 m o s 电容的变频c v 特性，并使用变频c - v 法测量计算了几种不同m o s 电容 结构中介质层与a l g a n 势垒层之间的界面态密度。通过c v 滞后，光照c v 和 变频c v 三种方法对a 1 g a n g a nm o s 电容中高k 介质层与a l g a n 势垒层之间 的界面态密度的研究表明：h f 0 2 ( 3 衄) a 1 2 0 3 ( 2 姗) 堆层介质m o s 中的界面态密度 最小，h f a l o ( 5 i l i l l ) 复合介质m o s 和l o 啪a 1 2 0 3 介质m o s 具有最大的界面态密 度，3 5 啪a 1 2 0 3 介质m o s 的界面态密度与h f 0 2 ( 3 n m ) a 1 2 0 3 ( 2 胁) 堆层介质m o s 相当。最后研究了热处理的方法对于高k 介质m o s 电容特性的影响，对几种不 同高k 介质m o s 电容的耐高温特性进行了分析，提出了h f a l o 复合介质层具有 良好的耐高温特性。通过一系列关于热处理对于高k 介质m o s 中饱和电容，滞 高k 栅介质a l g a n g a nm o s h e m t 器件研究 后特性，平带电压，泄漏电流和方块电阻的影响的实验研究，对高k 介质m o s 电容的热处理条件进行了优化。 论文报道了原子层淀积( a l d ) 超薄3 5 舳a 1 2 0 3 为栅介质的高性能 a l g a n g a n 金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管( m o s h e m t ) 。新型 a 1 g a n g a nm o s h e m t 器件栅长1 m ，栅宽1 2 0 m ，栅压为+ 3 o v 时最大饱和 输出电流达到7 2 0 m a m m ，最大跨导达到1 3 0 m s m m ，开启电压保持在5 0 v ，器 件特征频率( 国和最高振荡频率( 7 钇神分别为1 0 1 g h z 和3 0 8 g h z 。使用漏极电流 注入技术( d c i t ) 研究了a 1 2 0 3 栅介质a l g a n g a nm o s h e m t 器件的击穿电压。 3 5 啪a 1 2 0 3 超薄栅介质触g a n g a nm o s h e m t 器件源漏击穿电压v d s 达到 6 6 v ，lo n ma 1 2 0 3 栅介质础g 心g a nm o s h e m t 器件源漏击穿电压v d s 达到 1 0 0 v 。使用脉冲法研究了超薄3 5 n ma 1 2 0 3 栅介质对a l g a n g a nm o s h e m t 器 件的钝化作用。该层栅介质同时作为m o s h e m t 器件的钝化层。测试结果表明 在栅脉冲条件下，未钝化的h e m t 器件电流崩塌高达5 0 ；而m o s h e m t 的电 流崩塌小于1 0 ，且在变化脉冲宽度情况下无明显电流崩塌，漏脉冲条件下输出 电流的增加是由于消除了自热效应，栅漏同步脉冲进一步表明原子层淀积超薄 3 5 ma 1 2 0 3 栅介质具有很好的表面钝化特性。 论文报道了原子层淀积h f 0 2 ( 3 i n ) a 1 2 0 3 ( 2 m ) 高k 堆层栅介质a l g 心i g a n m o s h e m t 器件的结构设计及基本电学特性。在高k 堆层栅介质结构中， a 1 2 0 3 ( 2 n m ) 作为h f 0 2 ( 3 n m ) 栅介质与a l g a n 势垒层之间的界面过渡层，2 0 3 界 面过渡层与a l g a n 势垒层之间具有很好的界面质量，并起到有效的表面钝化作 用。在蓝宝石衬底上制作的原子层淀积h f 0 2 ( 3 i l m ) a 1 2 0 3 ( 2 衄) 高k 堆层栅介质 a l g a n g a nm o s h e m t 器件栅长lp m ，栅宽1 2 0 m ，栅压为+ 3 0 v 时最大饱和 输出电流达到8 0 0 m a m m ，最大跨导达到1 5 0 m s m m ，正向偏置下的泄漏电流比 通常的h e m t 器件低六个数量级，器件特征频率和最高振荡频率( 7 洫) 分别为 1 2 g h z 和3 4 g h z 。而采用原子层淀积h f a l o ( 5 i 姗) 高k 复合栅介质结构能够使器 件更适合在高温下工作，通过向h f 0 2 栅介质中掺a l 解决了其低结晶温度的问题， h f a l 0 作为栅介质有比较高的结晶温度，因此器件在高温下工作栅介质不会退化。 在蓝宝石衬底上制作的栅长1 p m ，栅宽1 2 0 m 的原子层淀积h f a l o ( 5 n m ) 高k 复合栅介质a l g a n g a nm o s h e m t 器件的特征频率( 疗) 达到7 8 g h z ，最高振荡 频率动达到2 0 g h z 。 关键词：a l g a n g a n 异质结高k 栅介质界面态热处理 m o s h e m t 器件 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 ef i r s tp a no ft 1 1 i sw o r kf o c u so n 舢x g a l x n g a nh e t e r o s t m c t u r em a t 嘶a l s y s t e m 觚d3 3 0 3 4 0l l i i lu l t r a - v i o l e t ( u 砧。g a l x n a l y g a l - y no ra 1 x g a l x n g a n m u t i q u a l l t u mw e l l ( m q mm a t e r i a ls y s t e m s 1 1 1 eo 蟛no ft w 0 d i m e n s i o i l a l e l e c 仃o ng 弱( 2 d e g ) i na l x g a l - ) n ga ：nh e t e r o s t m c t u r eh a sb e e na l l a l y s e da n dt l l e 1 1 i 曲t e m p e m t u r ep e b 姗a 1 1 c eo fa l x g a l x n g a nh e t e r o s t r i j c t u r eh a sb e e nm e a s u r e d t h ea i l a l y s i so fa l x g a l - x n a l y g a l p im q ws t r u c t u i i eh a sb e e nm a d eb yx - r a y d i m a c t i o n ( x 王) m e 嬲l l r 锄e n t t h eo p t i c 甜p r o p e n i e so ft h em q w s t r u c t u r e su s i n g 舢g a n0 rg a n 弱q l 姗t l l m 、u ( q w ) a t3 3 0 3 4 01 1 i nh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db y t e m p e r a t u r e - d 印e n d e mp h o t o l 啪i 1 1 e s c e n c e ( p l ) m e a s u r e m e n t s a tr o o mt e m p e m t u r e ， l ep li n t e i l s 时o ft l l ea l g a nm q wi ss i 嘶f i c a n u ye i l l l a i l c e db yi n o r et l l a l lo mo r d e r o fm a g i l i t i l d e ，c o m p a r e d 谢t l lt 1 1 eg a nm q w 1 h ct e m p e r 撕玳- d e p e n d e n tp ls p e c t i a s h o wac l e a r s s h a p ei nm ea l g a nm q w ，af i n g e 印血to fe x c i t o nl o c a l i z a t i o n ，b u t 1 1 0 ti i lt l l e ( h nm q w ，嬲t 1 1 a tt e m a r ya 1 1 0 yi se x p e c t e dt 0c a u s e sas 昀n g e re x c i t o n l o c a l i 删i o ne f r e c tt h a i lb i n a 巧a l l o y f u r t h e m o r e ，t l l ei n t e m a lq u m 1 眦ne 伍c i e n c yo f m ea l g a ：nm q w ，e s t i m a t i 甜u s i n gt e m p c r a n 玳d e p e n d e n ti m e g r a t e d 硫e n s i t ) ，i sa l s o s i 鲥f i c a n t l yl l i g h e r 岫t h a to f 恤g a nm q w ，w l l i c hi n d i c a t e st 1 1 a ta l g a nt e n l a r ya s aq wf o rt h e3 3 0 3 4 0i 髓u v 锄i t t e rs h o u l db eab e t t e ro p t i o n q u a 肿哪- c o i l f i n e d s t 破e 疏c t ( q c s e ) i si n v e s t 追a t e db yp o w e r - d e p e n d e n tp li na l 。g a l x n 俄l y g a l - y n a n d 砧x g a l - x n g a nm q w t 1 1 e r ei s aw e a l 【q u a n t u i n - c o 曲n e ds 协ke 腩c ti n a l x g a l ) 【n a l y g a l y nm q w d u et oi t sw e a l ( s t r e s s f i i l a l l y ，t l l es e l f h e a t i n ge 疏c ti n a l 。g a l x n a l y g a l y nm q wl l a s b e e l lm e s t i g a t e db ye l e c 仃o l 啪i n e s c e n c e ( e l ) m e a s u r e m e n t n l ee lw a v e l e n g t l ld on o tc h a i l g ew i t l lt 1 1 ei n c r e a s i n gp u l s ec l l r r e n t b e c a u s eo ft h es e l f - h e a t i n ge 虢c tb e i n ga v o i d e dl l l l d e rp u l s ec o n d i t i o n ，w l l i l et l l ee l 1 i n e w i d t l ls l i 曲t l yi n c r e a s e s 埘幽t 1 1 ei n c r e a s i n gp u l s ec 硼r e 峨w 1 1 i c hi sd u et oo t l l e r e f f e c t n e x t t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fa l g a n g a nm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ( m o s ) c 印a c i t o r 谢t hh i 曲kd i e l e c t r i ch a v eb e e na i l a l y s e db yc 印a c i t a n c e v o l t a g e ( c - v ) m e 2 l s u r e m e n t f i r 瓯t l l ec a r r i e rc o n c e n t r a t i o na n dd e n s i t 、ri na l g a n g a nm o s c 印a c i t o r 谢t hh i 曲kd i e l e c t r i ch a v eb e e nc a l c u l a t e da c c o r d i n gt 0c vm e a s u r e m e n t t l l e n ，c - vh y s t e r e s i sl l a sb e e nu s e dt oc a l c u l a t et h ei n t e r f a c es t a t ed e n s 时b e t w e e n h i 曲kd i e l e c t r i ca 1 1 da l g a n t h ei n t e m c es t a t ed e n s i t yb e 似e e na 1 2 0 3 a l g a nh a s 高k 栅介质a l g a n g a nm o s h e m t 器件研究 a l s ob e e ne v a l u a t e db yl i g h t d e p e n d e n tc vm e a s u r e m e n t f u n l l e m l o r e ，a n o t l l e r m e t h o dc a l l e df r e q u e n c y - d e p e n d e n tc vh 硒b e e nu s e dt 0c a l c u l a t en l ei m e r f a c es t a t e d e n s i t yb e t 、e e nt h eh i 曲kd i e l e c t r i ca i l da l g a n t l l ec a l c u l a t i o no fi n t e 血c e 渤c e d e n s i t yu s i n gt h r e ed i f r e r e n tm e t l l o d ss h o wm ec o n s i s t e n tr e s u l t s t h em o sc a p a c i t o r w 岫h f 0 2 ( 3 啪) a 1 2 0 3 ( 2 衄) s t a c kg a t ed i e l e c 仃i ch a st h el o 、e s ti n t e r f 如es t a t ed e n s i t y i n d i c a t i n gm el l i 曲q 砌时i n t e m c eb e 觚e e na 1 2 0 3a i l da l g a n n l ei n t e 晌c es t a t e d e n s 时i st 1 1 eh i 曲e s ti nm o sc a p a c i t o r 谢mh f a l o ( 5 姗) o r1o 衄a 1 2 0 3g a t e d i e l e c t r i c 1 1 1 ei n t e r f a c es t a t ed e n s 时i nm o sc 印a c i t o r 、杭t l l3 5 眦a 1 2 0 3g a t e d i e l e c 仃i ci sa l m o s tt 1 1 es 锄e 够t l l a ti nh f 0 2 ( 3 m ) a 1 2 0 3 ( 2 i l i l l ) s t a c kg a t ed i e l e c t r i c f i n a l l y ，t l l ee 恐c to fh e a t 廿砷m e n to nt l ：屺c h a r a c t e r i s t i c so fa l g a n g a nm o s c a p a c i t o r 诵t h1 1 i 曲kd i e l e c 订i ch a sb e e ns t u d i e d 1 1 1 eh i 曲t e m p e r a n 鹏p e 怕m 强c eo f h f a l od i e l e c t r i ch 弱b e e ni i i l p r o v e db yt i l ei n c o 印o r a t i o no fa li l lt h eh f 0 2a u c c o r d i n g t 0h e a t 臼e a t n l e n t t h eh e a tt r e a n l l e n th a sb e e no p t i m i z e dt ol l a v eg o o de 仃e c to nt l l e 蚓 u r a t i o nc 印a c i t o r ，h y s t e r e s i s ，f l a t b a n dv o l t a g e ，l e a k a g ec u r r e n t 趾ds h e e tr e s i s t a l l c e t l l e n ，w er e p o r to na 砧g a n g a nm e t a lo ) ( i d es e m i c o n d u c t o rh i 曲e l e c 仃o n m o b i l 埘t r a l l s i s t o r ( m o s h e m t ) u s i n ga t o m i c - l a y e rd e p o s i t e d ( a l d ) a 1 2 0 3a sn l e g a t ed i e l e c t r i c b yd e c r e a s i n gt h et h i c k n e s so fm eg a t eo x i d et 03 5 n m ，ad e v i c e 谢t l l m a x i m 啪t r a l l s c o n d u c t a | l c eo fl3 0 m s r 1 1 mi sp r o d u c e d 7 n l ed r a i l lc u r r e n to ft 1 1 i sl “m g a t e - 1 e n g mm o s - h e m tc a l lr e a c h7 2 0 m a m ma t + 3 0 vg a t eb i a s t h eu n j 够c u n e n t g 撕nc u t o 行行e q u e n c y 孤l dm a x i m 啪f 诧q u e n c yo fo s c i l l a t i o n ( ，i 劫a r eo b t a i n e d 嬲 1 0 1g h za n d3 0 8 g h z ，r e s p e c t i v e l y t h eb r e a l ( d o w nv o l t a g eo ft 1 1 em o s h e m th a s b e e ns t u d i e db yd 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 e ( d c i t ) t l l ev d sb r e a l ( d o w n v o l t a g eo ft l l em o s - h e m t 晰t h3 5 n ma 1 2 0 3a i l d10 啪a 1 2 0 3 嬲g a t ed i e l e c t r i ca r e 6 6 va n d10 0 vr e s p e c t i v e l y d r a i nc u r r e n tc o l l a p s ei na l g a n g a nm o s - h e m th a s b e e n 咖d i e ds y s t e m a t i c a l l yb ya p p l y i n gp u l s e ds t i e s st 0t h ed e v i c e l o w - t e i l l p e r a t u r e l a y e ro fa 1 2 0 3u l t r a t h i nf i l mw h i c hw a su s e da sb o mg a t ed i e l e c t r i ca i l ds u r f a c e p a s s i v a t i o nl a y e r 、v a sd e p o s i t e db ya t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n ( a l d ) f o rh e m t ，g a t e t u n l 一o n p u l s e si n d u c e dl a r g e c u r r e n t c o l l a p s e h o 、e v e r ， f o rm o s h e m t ，n o s i g n i f i c 锄tc u n e n tc o l l 印s ew a sf o u n di nt h eg a t et 1 1 m - o np u l s i n gm o d ew i t hd i f f e r e n t p u l s ew i d t h s 、h i c hi n d i c a t e s t h eg o o dp a s s i v a t i o ne f f e c to fa l da 1 2 0 3 as m a u i n c r e a s ei ni di nt h ed r a i np u l s i n gm o d ei sd u et ot h er e l i e v i n go fs e l f - h e a t i n ge f f e c t t h ec o m p 撕s o no fs y n c h r o n o u s l yd y n 锄i cp u l s e di d v d sc h a r a c t e r i s t i c so fh e m ta l l d m o s h e m t 如r t h e rd e m o n s t r a t e dt h eg o o dp a s s i v a t i o ne f f e c to fa l d a 1 2 0 3 f i n a l l y ，w eh a v ed e v e l o p e dan o v e la l g a n g a nm o s h e m tu s i n gs t a c kg a t e h f 0 2 a 1 2 0 3s t m c t u r eg r o 、v nb ya t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n ( a l d ) t h es t a c kg a t ec o n s i s t s a b s t r 乏l c t v o fat 1 1 i nh 幻2 ( 3 啪) g a t cd i e l e c t r i ca i l dat i l i na 1 2 0 3 ( 2 眦) i n t e 概i a lp a s s i v a t i o nl a y e r ( i p l ) f 0 rm e5 胁s c a c kg a t e ，n 0m e a s l l r a b l ec vh y s t e r e s i sa i l ds m a l l e rt h r e s h o l d v o l t a g es h i rw e r eo b s e n ，e d ，i n d i c a t i n gt 1 1 a tal l i 曲q u a l i 够i n t e r f - a c ec a nb ea c l l i e v e d u s i n gaa 1 2 0 3i p lo na l g a ns u b s 觚t e g 0 0 ds 耐a c ep a s s i v a t i o ne 仃e c t so f 位触2 0 3 i p lh a v ea l s ob e e nc o n f i m e db yp u l s e dg a t em e a s u r e m e n t s d e v i c e s 、析t h1 - m ng a t e l e n g m se x h i b i tac m o 厅舶q u e n c y ( 聊o f12 g 王z 锄dam a x i m 啪舶q u e n c yo f o s c i l l 撕o n ( 缸) o f3 4 g l z ，船w e l l 嬲am a ) 【i m 啪d r a i nc l u t e n to f8 0 0 m 1 1 1 】【i l 觚da p e a k 缸a 1 1 s c o n d u c t a i l c eo f15 0 m s m m ，w h i l et 1 1 eg a t el e a l 【a g ec u r r e mi s a tl e a s ts i ) 【 o r d e r so fm a g r l i n l d el o w e rt l l a i lt l l a to fn l er e f e r e n c eh e m ta tp o s i t i v eg a t eb i a s w e h a v ea l s od e v e l o p e dan o v e l 砧g a n g a nm o s - h e m tu s i n gh 丛l o ( 5 呦) d i e l e 硎c g r o w nb ya t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n ( a l d ) b yt l l ei n c o 驴r a t i o no fa l i nm eh f 0 2t o i n l p r o v et h ec 巧s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t i l r ef o rl l i 曲t e m p e r a ：t u a p p l i c a t i o n d e v i c e s 、加t h 1 - p mg a t el e n g t l l se x l l i b i t 弛c u t o 行氐q u e i l c y ( 疗) o f7 8 g h za n dam a ) 【i 姗埘 矗e q u e n c yo f o s c i l l a t i 彻( 砒曲o f 2 0 g h z k e y w o r d s ：a l g a n ，g a nh e t e r o s t r u c t u 托 h i g hkg a t ed i e l e c t r i c i n t e r f a c es t a t eh e a tt r e a t m e n tm o s h e m t 第一章绪论 第一章绪论 1 1i i i 族氮化物材料和器件的研究意义 无线移动通信的需求推动着微波功率器件的发展，高功率高速器件在x 波段 雷达以及毫米波通信上也有一定的应用。另外，无线英特网接入，数字电视和视 频电话也依赖于微波功率器件。目前微波功率器件的市场主要被s il d m o s 所占 据，大部分通信基站上都使用l d m o s ，这是由于它具有高增益，高线性，高功 率传输能力，价格低廉的优点，但是这些器件在超过3 g h z 下就不能有效的工作 1 1 ，由于s i 具有小的禁带宽度，所以l d m o s 也不适合高温条件下工作。 g a a s 器件由于具有高的电子迁移率，很适合高频工作。g a a s 虽然有比s i 大 的禁带宽度，但g a a s 器件在工作电压上仍然逊色于s il d m o s ，另外g a a s 的热 传导性不好，这也限制了其在高功率上的应用。因此，s il d m o s 在速度上的限 制和g a a s 在功率上的限制，就使得需要一种材料能够同时满足高速和高功率。 但是对于i i i v 族半导体材料来说功率和速度往往是互相矛盾的，这是因为一些 i l i v 族半导体材料的禁带宽度越大，载流子有效质量也随之在增大。但是g a n 在具有大的禁带宽度的同时，也具有很好的电子传输特性。虽然g a n 的电子迁移 率低于g a a s ，但是其高的电子饱和速度仍然使其具有高的射频特性。高的电子 饱和速度，高的击穿电压，大的禁带宽度，相对高的热传导性使得g a n 很适合高 频高功率应用。表1 1 比较了几种主要半导体材料的基本特性，通常使用击穿电 场和饱和速度的乘积来表示材料在高速高功率上应用的潜能。g a n 中的电子饱和 速度达到2 x1 0 7 c m s ，这是s i 和g a a s 的两倍，这意味着当制作同样栅长的器件 在高电压下工作时，g a n 器件能够获得更高的疗。g a n 大的禁带宽度使其击穿电 场达到2 0 0 0 k v c m ，远大于g a a s 的4 0 0 k v c m 。对于高功率应用热效应非常重 要，g a n 的热传导性是g a a s 的三倍。这就使得g a n 在高温，高频高功率应用上 具有很大的潜能。 表1 1 几种半导体材料的基本特性对比【1 2 1 4 1 m a t e r i a l e g ( e v ) e b kj f o m ( c m 2 v s )( 1 0 7c i n s )( m v c m )( w c m k )( e b v 翰t 2 万) s il 11 3 5 010 31 5l i n p1 3 55 0 0 01 50 6o 7 3 g a a s1 4 38 5 0 01o 40 52 s i c3 2 64 0 02 53 55 o 2 9 g a n3 3 9 1 5 0 02 52 o 1 5 1 7 d i a m o n d5 4 51 9 0 02 7l o o2 09 0 2 高k 栅介质a l g a n g a nm o s h e m t 器件研究 1 2a l g a n g a nm m t 器件 1 9 9 4 年k h a l l 的研究小组报道了世界上第一个a l g a n g a nh e m t 【1 。5 j ，器件 栅长o 2 5 m ，饱和电流密度达到6 0 m a m m ，跨导为2 7 m s n l i i l 。随后h e m t 器 件得到了迅速的发展，并在高频高功率的应用上显示出很大的优势。u c s b 首先 报道了a 1 g a n g a nh e m t 器件的功率特性1 1 丙j ，在2 g h z 下的输出功率密度达到 1 1 w m m ，功率附加效率为1 8 6 。使用栅长为o 2 5 m 的a l g a n g a nh e m t 研 究了栅宽对于功率特性的影响，当栅宽由1 0 0 p m 增加到5 0 0 p m 时，8 g h z 下总的 输出功率从o 3 5 w 增加到了1 w ，但是功率密度却从3 3 w m m 降到了2 w m m 【1 7 】， 这主要是由自热效应所引起的。由于材料质量和器件工艺水平的不断提高，相继 报道在蓝宝石衬底上研制的o 2 5 u m 栅长a l g a n g a nh e m t 器件的跨导达到 4 0 0 m s m m ，办和疡肼分别达到8 5 g h z 和1 5 1 g h z l l 3 】。为了降低自热效应，进一 步提高功率特性，相继有报道在s i c 衬底上研制的a l g a n g a nh e m t 器件【1 9 ，1 1 0 1 ， o 1 2 u m 栅长的a 1 g a n g a nh e m t 器件跨导达到2 1 7 m s u n ，办和五鲫分别达到 1 0 l g h z 和1 5 5 g h z ，2 g h z 下的功率密度达到1 3 8 w m m 【1 1 1 ，1 1 2 1 。s a n d h u 的研究 小组报道了a l g a n g a nh e m t 器件在2 0 g h z 下工作达到3 2 w m m 的功率密度 和7 1 的功率附加效率【1 3 l 。报道采用场板结构a l g 心g a nh e m t 在x 波段的输 出功率密度达到3 0 w m m ，这几乎比当前商用的g a a s 和s i 器件提高了3 0 倍【1 4 】。 a l g a n g a nh e m t 在射频( r f ) 工作条件下电流的减小使得器件的微波输出 功率减小。器件在a 模式下工作可以获得的最大微波输出功率可以用下面的表达 式来表示： = k ( 圪m 枞。一) 8 ( 1 1 ) 由式1 1 得出，器件最大饱和电流的减小和膝点电压的增加都可以导致最大 输出功率的减小，这种现象通常是由电流崩塌所导致的。产生这种现象的主要原 因通常认为是在器件栅漏之间的区域存在一些表面陷阱，当载流子被这些陷阱所 俘获时会在该区域形成“虚栅”并使下面的沟道耗尽i l5 ，川。产生电流崩塌的另外一 个原因是g a n 缓冲层中的陷阱，在高漏偏置条件下热电子会脱离二维电子气沟道 而被缓冲层中的陷阱所俘获【1 。7 - 1 9 】。另外，在高频条件下输出电导的增加以及跨导 的减小也是影响输出功率的一个重要因素【2 叭。传输频率也会依赖于电子在发射和 俘获过程中的时间常数从l h z 到1 m h z 范围内变化。这两种效应都对器件的线性 增益有负面的影响。通常射频条件下的击穿电压要低于直流值，这是由于在高电 压工作条件下在栅漏边缘形成了电荷偶极子所造成的【2 1 1 。 自热效应是a l g a n g a nh e m t 器件存在的另外一个问题。器件在高功率密 度下工作会产生大量热，因此散热问题非常重要。热效应会通过降低器件中载流 第一章绪论 3 子的低场迁移率和高场饱和速度来使其性能退化。由于低的成本，当前大部分器 件都是在蓝宝石衬底上制作的。蓝宝石衬底的热传导系数是o 4 8 w ( k c m ) ，因此 热效应非常明显。s i c 衬底的热传导系数是3 2 w ( k c m ) ，这样可以使大量的热从 衬底耗散掉。研究表明蓝宝石衬底上制作的器件，其工作温度上升是s i c 衬底上 的四倍【2 2 1 。另外还有其他一些材料作为衬底的热传导性比蓝宝石要好，包括a l n ， s i ，g a n 衬底都可以作为高功率应用下蓝宝石衬底的替代品。 1 3a l g a n g a nm o s | 玎三m t 和a 1 g a n ga _ nm i s h e m t 器件 2 0 0 0 年m a s i f m 等人首次制造了s i 0 2 a l g a n g a nm o s h e m t ，栅压+ 6 v 时的饱和电流达到6 0 0 m a m m ，跨导为7 5 m s m m ，开启电压为8 v ，栅泄漏电流 比同样工艺尺寸的h e m t 器件小六个数量级【2 3 】，同年他们还制造了基于4 h - s i c 衬底的s i 0 2 砧g a n g a nm o s h e m t ，器件的最高栅压可达到+ 1 0 v ，栅压+ 9 v 时 的饱和电流达到1 3 a 1 1 1 m ，跨导为1 l o m s 詹l m ，开启电压为9 v ，栅泄漏电流比同 样工艺尺寸的h e m t 器件小六个数量级洲。2 0 0 1 年x h h 等人制造了s i 3 n 4 a l g 栅a nm i s h e m t ，开启电压为一5 v ，介质层具有比较好的器件表面钝化作 用，具有很好的高温特性，3 0 0 下栅泄漏电流比同样工艺尺寸的脏m t 器件小 三到四个数量级，与h e m t 器件和s i 0 2a 1 g a n g a nm o s h m e t 相比，在2 5 - 2 5 0 范围内饱和电流几乎不变，具有很好的热稳定性【2 5 j 。2 0 0 3 年t a m o t s u h a s h iz l 加e 等人用m b e 和e c r 方法制造了a 1 2 0 3 舢g a n g a nm o s h e m t ，器件具有很好 的电流崩塌抑制作用【2 6 】。2 0 0 4 年p d y e 等人制造了a l da 1 2 0 3 舢q 洲g a nm o s - h e m t ，饱和电流达到4 5 0 m a m m ，跨导为1 0 0 m s 珈i l i l ，开启电压为一4 v ，关态三 端击穿电压达到1 4 5 v 【2 7 j 。 栅泄漏电流也是a l g a n g a nh e m t 器件面临的另一个问题。k h a i l 的研究小 组首先研制了使用s i 0 2 和s i x n v 作为栅介质的a l g a n g a nm o s h e m t 器件和 a l g a n g a nm i s h e m t 器件【3 2 ，3 3 1 。该器件的栅泄漏电流与通常的h e m t 器件相 比要小两到三个数量级。另外这些器件能够在大的工作偏压范围内工作并保持线 性，保持相对恒定的跨导。高的跨导和大的栅压摆幅能够增加器件的线性工作范 围，更适合在放大器上的应用。 目前已经有很多小组报道了a l g a n g a nm o s h e m t 和a l g a n g a n m i s h e m t 器件的直流特性【2 8 。5 1 。但是这些器件都是具有负阈值电压的耗尽型器 件。i r o k