氮化鎵基增強(qiáng)型HEMT器件與集成電路研究.pdf

1、本文重點(diǎn)研究了藍(lán)寶石襯底上的鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管(HEMT)和集成電路。
　　 首先，開展了不同F(xiàn)等離子體處理?xiàng)l件對(duì)器件的影響研究，采用一種新的分步光刻方法將不同條件F等離子體處理的器件成功制備在同一圓片上，得到了優(yōu)化的工藝條件，并在150W的F等離子體處理功率下，實(shí)現(xiàn)了柵長為0.5μm的增強(qiáng)型HEMT器件，器件的閾值電壓為0.57V，最大電流為510mA/mm，最大跨導(dǎo)為210mS/mm

2、，特征頻率和最大振蕩頻率分別為17.1GHz和28.4GHz。通過電導(dǎo)-頻率法對(duì)器件的陷阱效應(yīng)進(jìn)行研究，計(jì)算出了常規(guī)耗盡型和F等離子體處理增強(qiáng)型器件中的陷阱濃度及時(shí)常數(shù)，從陷阱的角度解釋了F等離子體處理對(duì)器件肖特基特性的改善作用。
　　 系統(tǒng)地從電應(yīng)力、熱應(yīng)力及輻照應(yīng)力方面對(duì)增強(qiáng)型器件的可靠性進(jìn)行了研究。研究表明了材料中存在不穩(wěn)定的F離子，在電應(yīng)力及熱應(yīng)力的作用下這些F離子將發(fā)生移動(dòng)，使器件閾值電壓退化。但是，可以通過長時(shí)間電應(yīng)

3、力及高溫?zé)釕?yīng)力使材料中F離子固化，從而使器件達(dá)到穩(wěn)定。研究還表明F等離子體處理增強(qiáng)型器件在總劑量為1.6Mrad(Si)的60Coγ射線輻照應(yīng)力下閾值電壓保持穩(wěn)定，而最大跨導(dǎo)及最大飽和電流增大，通過對(duì)器件進(jìn)行電容-電壓測試及電導(dǎo)-頻率法測試，從陷阱形成的相關(guān)機(jī)理解釋了器件輻照后的退化情況。
　　 發(fā)現(xiàn)了Si3N4鈍化層對(duì)AlGaN/AlN/GaN薄勢壘溝道二維電子氣的調(diào)制作用，提出采用薄勢壘異質(zhì)結(jié)材料代替常規(guī)勢壘厚度異質(zhì)結(jié)材料制

4、備增強(qiáng)型器件，提高了器件的直流及頻率特性。采用兩種不同勢壘層厚度的薄勢壘異質(zhì)結(jié)材料(分別為16nm和8nm)制備了常規(guī)T型柵器件及F等離子體處理增強(qiáng)型器件。對(duì)不同勢壘層厚度異質(zhì)結(jié)材料制備的器件特性進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)薄勢壘器件相對(duì)于常規(guī)勢壘器件直流及頻率特性有明顯提高。勢壘層厚度為8nm的常規(guī)T型柵器件閾值電壓為0.2V，器件最大跨導(dǎo)為430mS/mm，最大飽和電流為1A/mm，特征頻率為27.5GHz，最大振蕩頻率為58GHz。采用100

5、W，80sF等離子體處理的8nm T型柵器件閾值電壓為0.9V，器件最大跨導(dǎo)為360mS/mm，最大飽和電流為760mA/mm，特征頻率為25GHz，最大振蕩頻率為52GHz。勢壘層厚度為8nm的器件呈現(xiàn)出極高的直流和頻率特性。
　　 針對(duì)AlGaN/AlN/GaN薄勢壘材料，首次采用金屬-絕緣柵介質(zhì)-半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高性能增強(qiáng)型器件。絕緣柵介質(zhì)(12nm的Si3N4)的插入減小了器件的柵電流，增大了器件的工作范圍，提高

6、了器件閾值電壓，使增強(qiáng)型器件特性得到進(jìn)一步的提高。勢壘層厚度為8nm的常規(guī)T型柵MIS-HEMT器件，閾值電壓為0.8V，最大跨導(dǎo)為210mS/mm，柵壓為6V時(shí)最大飽和電流為830mS/mm。采用50W，80sF等離子體處理的8nm T型柵MIS-HEMT器件閾值電壓為1.8V，最大跨導(dǎo)為190mS/mm，柵壓為7V時(shí)最大飽和電流為810mA/mm。器件特性超越了之前的增強(qiáng)型器件，實(shí)現(xiàn)了高閾值電壓、大飽和電流和寬工作范圍的增強(qiáng)型HEM

7、T器件。
　　 研究并實(shí)現(xiàn)了GaN基E/D-mode的數(shù)字集成電路。首次采用GaN薄勢壘結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了E/D模式HEMT集成電路，該集成電路包含了反相器、環(huán)振、與非門以及觸發(fā)器。在VDD偏置為2V的情況下，反相器輸出電壓擺幅達(dá)1.7V，低噪聲容限和高噪聲容限分別為0.46V和1.17V；19級(jí)環(huán)振集成電路的振蕩頻率為83MHz，每級(jí)反相器延時(shí)為317ps。為進(jìn)一步研究GaN基E/D-mode集成電路的抗輻照特性，將16nm勢壘AlG