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GaN基增强型HeMT器件及e/d模电路研究

GaN基增强型HEMT器件及E/D模电路研究

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作者：高竹西安电子科技大学

学位级别：硕士

作为第三代宽禁带半导体一个重要分支,氮化镓以其优越的频率、功率和高温特性受到人们的广泛研究。本文针对增强型AlGaN/GaN HeMT和由它构成的GaN基增强型/耗尽型数字电路进行研究。通过对增强型AlGaN/GaN HeMT研究以及制备,建立出增强... 详细信息

作为第三代宽禁带半导体一个重要分支,氮化镓以其优越的频率、功率和高温特性受到人们的广泛研究。本文针对增强型AlGaN/GaN HeMT和由它构成的GaN基增强型/耗尽型数字电路进行研究。通过对增强型AlGaN/GaN HeMT研究以及制备,建立出增强型/耗尽型AlGaN/GaN HeMT等效电路模型,然后进行GaN增强型/耗尽型数字电路仿真与设计。取得的研究成果如下:在增强型AlGaN/GaN HeMT制备与研究方面,采用槽栅结构制备出阈值电压是0.8 V,跨导峰值是234 mS/mm,最大饱和输出电流是150 mA/mm的增强型HeMT,采用氟离子注入方法制备出阈值电压是0.5 V,跨导峰值是185 mS/mm,最大饱和输出电流是227 mA/mm的增强型HeMT。分析了制备增强型器件的直流特性,对比不同处理条件下制备出的HeMT,得出了较为优化的制备条件。当功率在15 W时,选择刻蚀时间介于120 s与130 s之间,刻蚀深度控制在80 nm范围内比较合适,从而可以实现阈值电压较高的增强型HeMT。氟离子注入处理的功率对于器件阈值的热稳定性影响较大。采用ICP设备处理的制备HeMT性能要好于RIe设备。应该采用大功率注入,但注入时间较短的处理方法。用ICP设备,处理条件60 W,60 s情况下可以实现阈值电压较稳定增强型HeMT。在建立增强型/耗尽型AlGaN/GaN HeMT的电路等效模型方面,选取了eeHeMT模型对论文中制备的AlGaN/GaN HeMT进行建模。采用该模型分别拟合了AlGaN/GaN e/d-mode HeMT的直流特性。通过上述的拟合与实际器件特性对比可以看出,该模型拟合的精准度基本满足后续电路设计要求。对于两种类型器件转移曲线,该模型均能较好拟合出来。对于输出曲线的拟合,d-mode HeMT存在差异主要是由于模型中输出曲线的膝点电压Vknee不随着Vgs变化,是一个固定值,但是现实中器件膝点电压Vknee近似地与Vgs呈线性关系。e-mode HeMT存在的问题主要是由于增强型HeMT的工艺更为复杂,会在一定程度上影响器件的性能,使其饱和电流比较小,偏离理想值,与模型拟合出来的结果差异较大。在GaN基增强型/耗尽型数字电路方面,主要阐述了以AlGaN/GaN HeMT构成电平转换电路设计和仿真过程,采用论文中GaN基HeMT模型,首先研究了数字电路基本单元反相器相关特性,然后对电平转换电路进行设计和仿真,确定了所使用的器件的尺寸,仿真得出的电路电压输出特性基本满足在电路设计的要求。当输入端电压VIN是低电平时,VOUT1是高电平,在0 V左右,VOUT2是低电平,在-4 V左右;当输入端电压VIN是高电平时,VOUT1是低电平,在-3.9 V左右,VOUT2是高电平,且在0 V左右。而且,两输出电压的交叉点接近-2 V左右,当VIN在低电平和高电平之间变换的时候,输出电压VOUT1和VOUT2都能够在高电平和低电平之间变换。后续还研究了HeMT阈值电压对于电平转换电路影响,增强型HeMT阈值电压对于电平转换电路影响很大。

关键词：增强型高电子迁移率晶体管 AlGaN/GaN e/d模数字电路

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F等离子体处理GaN e/d模电路工艺与设计

F等离子体处理GaN E/D模电路工艺与设计

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作者：张宇桐西安电子科技大学

学位级别：硕士

GaN材料因其禁带宽度大，击穿电压高，电子饱和漂移速度快等特点，已被证明在微波功率器件领域有着巨大的潜力。近年来，随着人们降低功耗，简化电路的需要，增强型GaN器件被广泛研究，并在此基础上采用e/d模，构建数字电路。得益于GaN... 详细信息

GaN材料因其禁带宽度大，击穿电压高，电子饱和漂移速度快等特点，已被证明在微波功率器件领域有着巨大的潜力。近年来，随着人们降低功耗，简化电路的需要，增强型GaN器件被广泛研究，并在此基础上采用e/d模，构建数字电路。得益于GaN材料良好的耐高温抗辐照特性，GaN基e/d模数字电路特别适用于特殊环境中。随着材料生长与工艺技术的发展，GaN材料的应用必然会从分立器件走向集成电路，而这正是本文的研究目标。本文基于自主生长的11nm和16nm势垒层AlGaN/GaN异质结外延材料，采用F等离子体处理工艺，成功制备了增强型器件和包括反相器，与非门在内的简单e/d模数字电路，并进行了大量测试。对比了不同势垒结构、不同F等离子体处理条件下的增强型AlGaN/GaNHeMT器件的输出，转移，跨导，栅电流和CV特性，并进行了理论分析。又基于数字电路基本原理，着重探讨了两种材料上不同尺寸，不同电源电压以及不同F等离子体处理条件下，e/d模反相器的开关阈值，输出电位，电压摆幅，噪声容限，上升时间和下降时间。不仅证明了GaN基e/d模数字电路的可行性，而且从数字电路的角度详尽分析了GaN基e/d模数字电路的各项性能。本文在以上流片结果的基础上，通过器件模型参数拟合，构建GaN基增强型与耗尽型器件模型，并在AdS仿真环境中成功的进行了GaN基e/d模SRAM的写仿真和读仿真，验证了GaN基e/d模SRAM的可行性;还进行了GaN基e/d模移相器驱动电路的仿真分析，实现了输入电压0V～5V，输出电压-4.6V～0V的电平转换，并分析了增强型器件阈值电压和肖特基二极管对于电路输出的影响。

关键词： AlGaN/GaN 增强型 F等离子体处理 e/d模数字电路 SRAM 移相器驱动电路

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