GaAs 基MHEMT器件设计及工艺研究

摘要

在现代信息技术与信息产业迅猛发展的今天，各种电子及通信系统对元器件性能提出了越来越高的要求，尤其在微波通信领域，元器件必须具有更高的频率、更快的速度、更低的功耗及跟小的噪声。GaAs材料因其在电子迁移率及禁带宽度等方面的优势得以替代Si成为高频应用的首选材料，在各种各样的GaAs场效应管（FET）中，GaAs基组分缓变高电子迁移率晶体管（MHEMT）因其在性能方面的绝对优势一直都是化合物半导体器件中的研究热点。本文将从基本的器件原理出发，对 GaAs基MHEMT的设计及关键工艺进行研究，并对器件的性能进行分析。本文所取得的主要研究成果如下： 一．以金属半导体欧姆接触及肖特基接触的基本原理为指导，深入研究了器件各关键性能参数，并以此为指导初步确定了外延材料体系。结合文献调研、已有经验及部分实验结果对各层材料的设计参数进行了细化，并参考目前的材料生长水平最终确定了器件的外延材料结构。 二．对GaAs基MHEMT器件关键工艺进行了研究：1.由欧姆接触的基本原理出发，结合GaAs外延材料体系，并综合考虑了可靠性、热稳定性及金属与半导体间的附着性等因素，确定了较为适合的金属体系，保证了良好的接触效果；2.通过改进电子束光刻胶的组合和旋涂条件，优化曝光、显影参数，实现了较好的光刻胶上T形轮廓；3.通过广泛的文献调研及系统的实验验证确定了整个栅槽腐蚀工艺的各项参数，包括腐蚀液的选择和配比、选择比的确定、腐蚀时间的确定等；4.通过优化工艺条件实现对芯片散热条件的控制，保证了电子束蒸发工艺过程中芯片的温度不至使光刻胶因过热而形貌坍塌，成功实现了栅极的金属化。 三．考虑各单步工艺的可行性及兼容性，整合关键器件工艺形成完整的工艺流程，成功研制了性能良好的 GaAs基 MHEMT器件。50nm栅长器件直流性能达到：IDS=910mA/mm，Gm=991mS/mm，高频特性：fT=188GHz，fmax=259GHz；80nm栅长器件直流性能达到：IDS=753mA/mm，Gm=1147mS/mm，高频特性：fT=227GHz，fmax=271GHz；100nm栅长器件直流性能达到：IDS=806mA/mm，Gm=1107mS/mm，高频特性：fT=137GHz，fmax=148GHz。 四．对多种栅长器件的直流、高频特性及数字性能进行了对比分析，并就相应工艺条件的合理性进行了分析和总结。1.对比不同栅长器件的直流特性，分析了栅槽腐蚀工艺对器件输出性能及栅控能力的影响；结合 MHEMT器件结构就输出特性曲线中表现出的kink效应进行了原理层面的分析。2.对不同栅长器件的高频性能及各项本征、寄生参数进行了对比分析，并提出了对芯片工艺不均匀性的改进办法。3.对器件的数字性能进行了分析，对比了数字应用及射频应用对器件性能的不同要求。

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第一章 绪论

§1.1 引言

§1.2 器件制造工艺方法简介

§1.3 GaAs器件发展历程

第二章 GaAs基MHEMT器件理论

§2.1 金属半导体接触特性

§2.2 MHEMT器件工作原理

§2.3 MHEMT器件特性

§2.4 器件的外延层材料

§2.5 本章小结

第三章 GaAs基MHEMT器件关键工艺研究

§3.1 欧姆接触工艺研究

§3.2 T形栅工艺

§3.3 栅槽腐蚀工艺

§3.4 栅极金属化

§3.5 本章小结

第四章 GaAs基MHEMT器件性能分析

§4.1 GaAs基MHEMT器件直流性能测试

§4.2 GaAs基MHEMT器件性能分析

§4.3 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

作者在攻读硕士研究生期间主要研究成果