毫米波AlGaN/GaN HEMT短沟道效应与结构优化

摘要

毫米波AlGaN/GaN HEMT器件在高频、大功率、高温和抗辐照等方面的优异表现使它在国防工业和日常生活中有着越来越广泛的应用。为了提高毫米波AlGaN/GaN HEMT器件的工作频率，必须提高器件的电流增益截止频率（fT）和最高振荡频率（fmax），缩短器件栅长是提高器件fT和fmax的重要措施，然而当栅长缩短到纳米尺度时短沟道效应将严重影响AlGaN/GaN HEMT器件的电学性能，甚至使器件无法正常工作。
　　在分析试制的毫米波AlGaN/GaN HEMT器件测试结果的基础上，利用二维数值仿真工具 TCAD研究了短沟道效应对器件直流特性和频率特性的影响，并分析了短沟道效应引起器件性能退化的原因，然后研究了不同尺寸T栅、Γ栅和τ栅对器件fT和fmax的影响，最后探索了不同类型背势垒对毫米波AlN/GaN HEMT器件直流特性和频率特性的改进。研究结果表明：
　　当AlGaN/GaN HEMT器件的栅长从500nm缩短至40nm时，器件的饱和特性和夹断特性严重退化。最大直流跨导下降16％，阈值电压漂移了42%，频率栅长乘积从19.1GHz·μm下降至5.03GHz·μm。为了有效抑制短沟道效应，器件的纵横比应该保持在6以上。
　　对T栅器件，栅足高度越小器件的输出特性和夹断特性越好。栅帽会增大器件的栅电容，随着栅足高度的增大，器件的fT和fmax不断提高，但当栅足高度增大到300nm之后，增大栅足高度已经不能有效提高器件的fT和fmax。栅帽下钝化材料采用低K材料可以明显提高器件的fT和fmax。Γ栅和τ栅器件的场板长度对转移特性和输出特性没有明显影响。对τ栅和Γ栅器件，器件的fT均随着场板长度的增大而下降，场板长度相同时Γ栅器件的fT要低于τ栅器件的fT。对τ栅器件，随着场板长度的增大，器件的fmax随之不断增大，而对Γ栅器件，随着场板长度增大，器件的fmax先随之增大然后减小。
　　渐变Al组分AlGaN背势垒对器件的缓冲层泄漏电流有更好的抑制作用。随着渐变Al组分AlGaN背势垒最大Al组分的增大，器件的fT和fmax略有增大，当最大Al组分增大到0.2后器件的fT和fmax几乎保持不变。对恒定Al组分AlGaN背势垒器件，Al组分的增大会导致二维电子气面密度下降和导通电阻的增大，从而导致器件的fT和fmax下降。渐变Al组分AlGaN背势垒对器件直流特性和频率特性的改善优于恒定Al组分AlGaN背势垒。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和研究意义

1.2毫米波AlGaN/GaN HEMT器件国内外现状和目前存在的主要问题

1.3 本文的研究内容

第二章 AlGaN/GaN HEMT器件的工作原理

2.1 极化效应

2.2 二维电子气的产生原理

2.3 AlGaN/GaN HEMT器件的工作原理

第三章毫米波AlGaN/GaN HEMT器件短沟道效应研究

3.1毫米波AlGaN/GaN HEMT器件制备和测试分析

3.2 AlGaN/GaN HEMT器件短沟道效应研究

3.3 本章小结

第四章毫米波AlGaN/GaN HEMT器件栅结构优化

4.1 栅阻Rg的计算

4.2 T栅对器件特性的影响

4.3 τ栅对器件特性的影响

4.4 Γ栅对器件特性的影响

4.5 本章小结

第五章带有背势垒结构的AlN/GaN HEMT器件研究

5.1 背势垒结构及AlN势垒层的优点

5.2渐变Al组分AlxGa1-xN背势垒工作原理

5.3带渐变Al组分AlGaN背势垒的AlN/GaN HEMT器件研究

5.4 本章小结

第六章 结论

6.1 本文的主要研究内容

6.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果