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氮化镓基毫米波/亚毫米波肖特基势垒二极管工艺研究

氮化镓基毫米波/亚毫米波肖特基势垒二极管工艺研究

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作者：严霏西安电子科技大学

学位级别：硕士

毫米波/亚毫米波频段在现代无线通信中具有显著的优势,近年来毫米波/亚毫米波段的器件和模块发展迅速。而在这个频段的电路系统中,肖特基二极管有着十分广泛的应用。不论是在集成电路接收系统中的混频器,还是在固态源组件中的倍频器,肖... 详细信息

毫米波/亚毫米波频段在现代无线通信中具有显著的优势,近年来毫米波/亚毫米波段的器件和模块发展迅速。而在这个频段的电路系统中,肖特基二极管有着十分广泛的应用。不论是在集成电路接收系统中的混频器,还是在固态源组件中的倍频器,肖特基二极管都处于主流地位。随着毫米波/亚毫米波技术的发展,需要更高频率、高功率的组件来满足需求,要求肖特基二极管的功率和频率处理能力提高。氮化镓材料由于其具有宽禁带以及高击穿电压的特点,被广泛应用在各类高频高功率器件。氮化镓基肖特基二极管作为宽禁带半导体器件代表之一,一直是人们研究的热点。关于氮化镓基肖特基二极管的研究主要集中在两个方面,一方面是提高反向击穿电压降低泄漏电流,另一方面是提高截止频率。本文的研究工作是如何提高氮化镓基肖特基二极管的截止频率。截止频率和肖特基二极管的串联电阻以及零偏压电容成反比,因此一般通过提高AlGaN层的Al组分来降低串联电阻或者减小阳极接触面积来降低零偏压电容,从而提高截止频率。但是随着应用需求的不断提高,不能一味的通过提高Al组分或者减小阳极接触面积来提高截止频率。本文从降低器件串联电阻来提高截止频率方面,提出了用Al组分渐变的AlGaN层替换原来Al组分恒定的AlGaN层,将原来被局限在AlGaN/GaN异质结界面附近三角势阱中的极化电荷向AlGaN一侧展宽,明显的增加了异质结中的高电导区域,减小了串联电阻,从而有效提高肖特基二极管的截止频率。本文的研究工作主要分为两个部分。第一部分是肖特基二极管器件仿真,仿真Al组分渐变的肖特基二极管和Al组分恒定的肖特基二极管,分别计算出能带结构和IV特性,验证仿真结构的正确搭建。再对比研究这两种器件的串联电阻,验证了Al组分渐变结构的肖特基二极管串联电阻低于Al组分恒定的肖特基二极管。第二部分是实验验证,分别外延生长Al组分渐变结构和Al组分恒定结构的外延片,通过高分辨率X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱以及霍尔效应测试对外延片进行表征分析。然后进行肖特基二极管工艺的制作,本文中为了防止复杂电极结构的肖特基二极管寄生参数过大影响对串联电阻的计算研究,所以选择制作尺寸较大、结构较为简单的平面结构,有效的降低了工艺的难度。再进行I-V和C-V测试,提取了串联电阻和零偏压电容,计算了截止频率。结果表明Al组分渐变结构的肖特基二极管串联电阻更低,截止频率更高,验证了本文中提出的可以采用Al组分渐变的AlGaN层替换原来Al组分恒定的AlGaN层来提高肖特基二极管截止频率这一研究目标。最后在Al组分渐变和Al组分恒定的异质结外延片上进行了毫米波/亚毫米波段GaN基肖特基二极管流片实验,设计了详细的版图并总结了流片实验结果。

关键词：肖特基势垒二极管肖特基二极管工艺氮化镓毫米波/亚毫米波截止频率

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