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毫米波inaln/gan hemt栅结构优化与器件特性分析

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毫米波InAlN/GaN HEMT栅结构优化与器件特性分析

作者：严慧电子科技大学

学位级别：硕士

高频率、高功率一直以来都是gan基hemt器件研究的热点。inaln/gan hemt则着重于提高器件的电流增益截止频率(fT)。inaln具有极强的自发极化效应,能产生浓度高于Algan/gan异质结的二维电子气。即使器件栅长缩短到深亚微米数量级,依然具... 详细信息

高频率、高功率一直以来都是gan基hemt器件研究的热点。inaln/gan hemt则着重于提高器件的电流增益截止频率(fT)。inaln具有极强的自发极化效应,能产生浓度高于Algan/gan异质结的二维电子气。即使器件栅长缩短到深亚微米数量级,依然具有较大的器件纵横比(Lg/tbar),从而避免器件栅极控制能力的减弱。因此,毫米波inaln/gan hemt比Algan/gan hemt更适合高频方面的应用。本论文借助二维数值仿真工具Sentaurus TCAD对栅长缩短造成inaln/Ga N hemt的短沟道效应的原因进行了深入分析,发现漏致势垒降低(DIBL)和栅极下方沟道电势的二维分布是栅极缩短时引起短沟道效应的主要原因。当器件的栅长Lg大于120nm时,缩短栅长可以有效提高fT;当栅长小于60nm时,缩短栅长的方法对fT的提升已经没有明显的效果了。为了设计合适的栅极结构从而提高器件的fT,分别对T型栅、τ型栅和Γ型栅结构的inaln/gan hemt进行仿真优化。分析发现栅极场板会减小器件的fT,对fmax却有一定的提升。若要通过采用场板结构提高器件的fmax,可尽量增大靠近源极一端的栅极场板长度。并且使用较高的栅跟高度和较大的栅源距可以有效地改善器件的频率特性。然而,器件的击穿电压会随着栅源距的增大而减小。所以若想使器件同时具备较好的频率特性和击穿特性,必须要折中考虑,从而选择较为合理的栅极位置。在上述理论研究和仿真分析的基础上,提出了新型复合金属栅(CMG)结构的gan基hemt器件。其利用不同功函数的栅极金属在栅极下方的沟道内形成阶梯形电势分布,抬高了靠近漏极一端的栅极电势,屏蔽了漏极电势对沟道的影响,从而有助于抑制短沟道效应。同时,金属界面间形成的峰值电场能提高栅下电子的平均速率,从而改善电子传输效率,提高直流特性,并且栅极电容的减小和直流跨导的提高又能提高器件的频率特性。并且这些性能的改善随着构成栅极金属的种类增多而越明显。基于Lombardi迁移率模型对栅长为200nm的inaln/gan hemt进行了实验与仿真的对比分析。当栅源电压为2V时,器件的最大饱和输出电流为500mA/mm。fT和fmax分别为65.8GHz和143.6GHz。利用Lombardi迁移率模型分析了界面粗糙度散射对器件的影响。结果表明,异质结界面粗糙度散射缩短了沟道电子的平均传输寿命,使平均电子迁移率减小,从而导致器件的饱和电流和跨导分别减小57%和69%,fT和fmax分别降低58%和74%。

关键词： inaln/gan hemt 截止频率短沟道效应栅结构 Lombardi模型

氟注入结合P型栅增强型inaln/gan hemt器件制备

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氟注入结合P型栅增强型InAlN/GaN HEMT器件制备

作者：肖文萱华南理工大学

学位级别：硕士

氮化镓(gan)基高电子迁移率晶体管(hemt)具有诸多优良性能,在高压高频器件领域具有广阔的发展前景。传统gan hemt表现为耗尽型,而增强型器件可以提供更安全的操作条件,简化偏置电路设计及制造成本。因此,实现稳定可靠的增强型gan hemt... 详细信息

氮化镓(gan)基高电子迁移率晶体管(hemt)具有诸多优良性能,在高压高频器件领域具有广阔的发展前景。传统gan hemt表现为耗尽型,而增强型器件可以提供更安全的操作条件,简化偏置电路设计及制造成本。因此,实现稳定可靠的增强型gan hemt器件成为了当前研究热点之一。目前,Algan/gan hemt器件的研究已取很大进展,但是应力引发的压电问题会降低器件可靠性。inaln材料可与gan实现晶格匹配,提高异质结的稳定性,同时能够产生更高的2DEG面密度,因此inaln/gan hemt器件具有更大的饱和电流、更薄的势垒层以及更好的稳定性。然而薄势垒层结构也存在高泄漏电流以及低击穿电压等问题,如果能解决这些问题,inaln/gan材料在制备更高频率和功率密度的器件上有着更加广泛的应用前景。本论文针对inaln/gan材料存在的薄势垒和高漏电等特性,选择合适的制备增强型器件的工艺方法,并对工艺进行了优化。首先使用氟注入工艺制备hemt器件,对注入功率进行了优化,在低注入功率下,氟离子注入深度浅,对2DEG的耗尽作用弱,在高注入功率下,氟离子注入进导电沟道,破坏沟道电性能。随后对注入时间进行优化,随着注入时间的增加,氟注入的量增加,器件阈值电压偏移量增加,而过长的注入时间会对栅极表面造成过大的损伤,降低器件性能。通过实验优化,最终通过氟注入工艺使器件阈值电压产生了2.5 V的正向偏移,器件性能未发生退化。随后通过磁控溅射反应溅射法制备氧化镍薄膜以及制备hemt器件对材料进行表征,优化沉积工艺,主要优化的工艺条件为衬底温度以及反应气体的氧分压。在高温沉积环境下制备的氧化镍材料中氧元素比例降低,在低温沉积条件下,材料中空穴浓度提升;在相同沉积温度下增加反应气体的氧分压也能提升材料中的空穴浓度。通过优化后沉积的P型氧化镍栅极使器件阈值电压产生了2 V的正向偏移,器件性能未发生退化。最终本论文通过结合优化后的两种工艺,使器件阈值电压产生了4 V的正向偏移,成功制备了阈值电压为1 V的增强型inaln/gan hemt器件,制备工艺复杂度低,可重复性高,且器件电流性能相比于耗尽型器件未发生退化,栅极泄漏电流降低了三个量级,峰值跨导提升18%,界面陷阱态减少,阈值电压热稳定性提升。

关键词： inaln/gan hemt 增强型氟注入 P型氧化镍

面向低压应用的低膝点电压inaln/gan hemt器件结构仿真研究

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面向低压应用的低膝点电压InAlN/GaN HEMT器件结构仿真研究

Simulation study of inaln/gan high-electron mobility transistor with AlInN back barrier

2022年全国微波毫米波会议

作者：龚灿宓珉瀚周雨威马晓华西安电子科技大学微电子学院

本文针对gan基低压射频器件,从降低膝点电压的角度进行仿真研究。研究了一种基于inaln/gan异质结的非对称沟道Fin-hemt器件,并与平面inaln/gan hemt器件和对称沟道Fin-hemt器件进行仿真对比。两种Fin-hemt器件阈值电压出现正漂现象,输... 详细信息

本文针对gan基低压射频器件,从降低膝点电压的角度进行仿真研究。研究了一种基于inaln/gan异质结的非对称沟道Fin-hemt器件,并与平面inaln/gan hemt器件和对称沟道Fin-hemt器件进行仿真对比。两种Fin-hemt器件阈值电压出现正漂现象,输出电流密度显著提升、膝点电压降低。区别于对称沟道Fin-hemt器件,非对称沟道Fin-hemt器件可以在栅控沟道区域产生更强的汇聚电场,使得器件膝点电压进一步降低。仿真结果表明,平面hemt器件、对称沟道Fin-hemt和非对称沟道Fin-hemt器件的膝点电压分别为2.35V、1.21V和1.12V。因此,非对称沟道设计的inaln/ganFin-hemt可以在低工作电压下实现更理想的射频特性,其在移动终端领域将具有更为强大的吸引力。

关键词： inaln/gan hemt Fin-hemt 低压应用膝点电压

来源： cnki会议评论

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Chinese Physics B 2017年第10期26卷 433-437页

作者：韩铁成赵红东杨磊王杨 School of Electronic and Information Engineering Hebei University of Technology

In this work, we use a 3-nm-thick Al0.64In0.36N back-barrier layer in In0.17Al0.83N/gan high-electron mobility transistor （hemt） to enhance electron confinement. Based on two-dimensional device simulations, the influences of Al0.64In0.36N back-barrier on the direct-current （DC） and radio-frequency （RF） characteristics of inaln/gan hemt are investigated, theoretically. It is shown that an effective conduction band discontinuity of approximately 0.5 eV is created by the 3-nm-thick Al0.64In0.36N back-barrier and no parasitic electron channel is formed. Comparing with the conventional inaln/gan hemt, the electron confinement of the back-barrier hemt is significantly improved, which allows a good immunity to short-channel effect （SCE） for gate length decreasing down to 60 nm （9-nm top barrier）. For a 70-nm gate length, the peak current gain cut-off frequency （fT） and power gain cut-off frequency （fmax） of the back-barrier hemt are 172 GHz and 217 GHz, respectively, which are higher than those of the conventional hemt with the same gate length.

关键词： inaln/gan hemt back barrier electron confinement short-channel effect (SCE)

In AlN/gan hemt的研制与特性分析

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In AlN/GaN HEMT的研制与特性分析

作者：梁晓祯西安电子科技大学

学位级别：硕士

第三代半导体材料gan具有击穿电压高、迁移率高、电子饱和速度大等优良特点。近年来Algan/gan hemt的研究已经取得很大的进展,但应力诱导的压电问题一直是Algan/gan hemt的主要问题之一。In组分为17%的inaln能够与gan完全匹配,消除压电... 详细信息

第三代半导体材料gan具有击穿电压高、迁移率高、电子饱和速度大等优良特点。近年来Algan/gan hemt的研究已经取得很大的进展,但应力诱导的压电问题一直是Algan/gan hemt的主要问题之一。In组分为17%的inaln能够与gan完全匹配,消除压电极化,提高器件的可靠性。而inaln/gan hemt的研究相对较少,尤其是在国内inaln/gan hemt的研究才刚起步。在此背景下,本文主要针对inaln/gan hemt进行了研究。首先,本文完成了inaln/gan hemt器件的研制,并测得有较好的直流和小信号特性。还对漏端的工艺进行了改进,研制出肖特基作漏端的Algan/gan hemt器件。肖特基作漏的器件在具有与常规器件相同功能的基础上,还使得击穿电压明显增大。而且,首次发现漏端肖特基的势垒高度越大,器件的击穿电压越大。其次,对自主研制的inaln/gan异质结的陷阱进行了研究,通过电流崩塌和钝化前后材料方块电阻的变化,发现inaln材料表面可能存在陷阱,并且利用肖特基的电容-电压的测试方法,对inaln/gan的陷阱密度进行了估算,然后采用低温退火的方法使得陷阱有一定的减少。此外,还研究了不同温度下退火对器件其它特性的影响。最后,对inaln/gan hemt器件的陷阱与温度的关系进行了研究,通过对肖特基的变温测试发现,肖特特表面陷阱或者势垒层陷阱随温度的升高而增多,并且这些陷阱的增多会使得器件的电流崩塌也变得严重。另外,分析了温度对器件直流特性的影响,随温度升高,二维电子气浓度变化不大,迁移率减小,材料的方阻、欧姆接触、器件的输出和转移都有不同程度的退化。

关键词： inaln/gan hemt Algan/gan hemt 表面陷阱

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Si基gan hemt器件高温可靠性研究

Si基GaN HEMT器件高温可靠性研究

作者：王泽宇西安电子科技大学

学位级别：硕士

电子信息产业的飞速发展对半导体器件的性能提出了更高的要求,例如,大功率、高速半导体器件要求具有低的导通电阻、高的反向击穿电压和较快的响应速度。除了这些基本特性要求,非常规极端环境下(高温、高压等)的应用场景对器件可靠性及... 详细信息

电子信息产业的飞速发展对半导体器件的性能提出了更高的要求,例如,大功率、高速半导体器件要求具有低的导通电阻、高的反向击穿电压和较快的响应速度。除了这些基本特性要求,非常规极端环境下(高温、高压等)的应用场景对器件可靠性及寿命提出了更高的要求。以gan和Si C为代表的第三代宽禁带半导体材料具有高禁带宽度和高迁移率的优势,所制备的大功率器件在高温、高压等极端环境应用上表现出高性能。与Si C材料相比,gan及其同族三族氮化物材料可以实现高迁移率的二维电子气、用来制备高电子迁移率晶体管(hemt),因此在未来大功率高速耐高温器件的应用中,gan材料更具有广阔的应用前景。而Si基gan材料具有Si衬底大尺寸、低成本的优势,Si基gan hemt器件引起了微波毫米波通信、电力电子、高温电子领域科研和产业人员极大的兴趣。目前,科研人员已对Si基gan hemt器件的常温电学特性进行了深入研究。针对高温苛刻环境应用,我们需要深入理解Si基gan hemt的高温可靠性。但是对Si基gan器件高温可靠性的研究,尤其是器件在高温环境中(200℃以上)长时间高温热存储后其性能表现及内在退化机制的研究比较少见。基于此,本文以探究Si基gan hemt器件高温可靠性有关的行为及其机理为目标展开研究,分别制备了不同尺寸的Si基Algan/gan hemt器件和Si基inaln/gan hemt器件,进行高温存储的研究和高温测试。本文的主要内容包括:1)开发Si基Algan/gan hemt器件和inaln/gan hemt器件的制备工艺技术,制备了不同尺寸的Si基inaln/gan hemt器件和Algan/gan hemt器件,对其高温可靠性进行研究。利用半导体参数分析仪对器件在不同时长350o C下高温热存储后的直流输出特性、转移特性和栅极泄漏电流等进行了测试,发现随热存储时间的增加,饱和电流出现先增加后下降的趋势,其阈值电压基本保持稳定;泄漏电流随着热存储时间的变化而出现先升高后降低的趋势;gan异质结结构中二维电子气浓度随着热存储时间的增加而增大;迁移率随着热存储时间的增加而降低;欧姆接触电阻随着热存储时间的增加先减小后增加。2)制备了不同尺寸的Si基inaln/gan hemt器件,在室温到250℃的温度范围对器件的直流特性进行表征测试。变温特性显示器件的饱和电流随着器件工作温度的上升而逐渐下降,在100℃的饱和电流较室温下降了18.8%,栅漏间距越小则饱和电流下降的趋势越明显,且泄漏电流会随着工作温度的上升而增大;泄漏电流在250℃时较常温下扩大了3个数量级。阈值电压随着温度的升高而向正电压的方向移动;输出饱电流随着温度的升高而逐渐下降,异质结结构中二维电子气浓度随着温度的升高而增加,迁移率随着温度的升高而降低。欧姆接触随温度变化趋势与势垒层材料无关。

关键词： Si基gan Algan/gan hemt inaln/gan hemt 高温可靠性热存储特性

超临界处理工艺对gan基hemt器件性能影响研究

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超临界处理工艺对GaN基HEMT器件性能影响研究

作者：田晓坤西安电子科技大学

学位级别：硕士

gan材料的独特优势使得基于gan基异质结结构的hemt器件在射频功率领域具有广阔的应用前景,然而在实际应用中人们发现gan基hemt器件存在一些可靠性问题导致其性能发挥远远达不到理论上的预期水平,并且很多可靠性问题是由材料内部陷阱以... 详细信息

gan材料的独特优势使得基于gan基异质结结构的hemt器件在射频功率领域具有广阔的应用前景,然而在实际应用中人们发现gan基hemt器件存在一些可靠性问题导致其性能发挥远远达不到理论上的预期水平,并且很多可靠性问题是由材料内部陷阱以及器件界面态诱导产生,这些陷阱通常是在材料生长过程或者器件制备过程中形成,为了提高器件的性能,降低陷阱对器件的影响至关重要。常规的等离子体处理、湿法处理等只能处理器件表面,并且容易造成二次损伤或者溶液离子残留,对于无损伤、无残留、作用深度大的陷阱修复手段是我们所需要的关键技术。近年来研究表明具有较低处理温度的超临界流体处理有望解决这些问题。本文对传统的Al gan/gan hemt器件超临界处理工艺条件进行优化,并且进一步研究最优超临界处理工艺条件对Al gan/gan hemt器件以及inaln/gan hemt器件性能的影响。首先,本文基于目前超临界处理工艺处理半导体材料及器件的多种工艺条件,从成本以及可操作性等方面考虑选出CO2+纯水、CO2+氨水以及N2O三种超临界流体在150℃、3000psi下对蓝宝石衬底Al gan/gan hemt器件进行处理,并设置无超临界流体的对照组。通过对比四组器件处理前后的欧姆接触电阻以及方块电阻、漏电水平、直流特性变化情况发现该种处理温度对器件的性能影响在可接受范围内;CO2+纯水以及CO2+氨水只能优化部分器件性能,只有N2O处理后器件性能得到全面优化,故最优超临界处理工艺为N2O超临界工艺。随后,进一步针对N2O超临界工艺对散热性更好的SiC衬底Al gan/gan hemt器件性能影响展开研究。通过对器件进行脉冲瞬态测试得出N2O超临界工艺可以修复器件Si N/Al gan界面陷阱,有效抑制由栅极金属注入电子导致的虚栅效应,减小器件的瞬态电流崩塌量;通过步阶应力测试得出N2O超临界工艺可以修复器件势垒层中的陷阱,使器件在40V应力下的性能退化程度减小;通过对更小栅长的射频器件进行性能监测得出N2O超临界工艺可以提高器件最大输出电流值、跨导峰值等直流特性关键参数,减小寄生参数,使射频器件频率、功率特性得到提高;通过对Al gan势垒材料进行XPS测试得出N2O超临界工艺可以修复N空位缺陷,并进一步分析得出N2O超临界工艺优化Al gan/gan hemt器件性能的原理为N2O超临界流体容易将活化基团带入器件中发生化学反应修复器件表面以及内部深层陷阱。最后,围绕N2O超临界工艺对双沟道inaln/gan/inaln/gan hemt器件的性能影响展开研究,通过TLM测试与ISO测试、直流特性测试得出N2O超临界工艺同样可以优化双沟道inaln/gan hemt器件性能,并且超临界处理使器件上下沟道跨导都得到了改善,证明了超临界处理工艺在半导体材料陷阱修复方面作用深度大的优势,是提升gan基hemt器件性能的重要工艺,且相较于常规优化工艺N2O等离子体处理具有不会造成外部物理损伤的独特优势。

关键词： Algan/gan hemt inaln/gan hemt 超临界流体可靠性