论文部分内容阅读
GaN材料特别适合制备高温、高频、大功率高性能微波功率器件，成为世界各国竞相占领的新一代高科技战略制高点。然而为了提高器件工作频率必须减小栅长，当栅长过短时(小于250-300nm)，短沟道效应趋于明显，严重影响器件性能。为了有效抑制器件的短沟道效应、提高器件的高频性能，必须加强对于异质结界面处二维电子气(2DEG)的限制。本论文重点围绕GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)的新型结构设计、材料生长和器件制作开展研究工作，所取得的 主要研究成果如下： 1.双AlN插入层结构材料(AlGaN/2ndAlN/2ndGaN/1stAlN/1stGaN)的研究 通过模拟仿真，我们发现，在AlGaN/2ndAlN/2ndGaN/1stAlN/1stGaN结构中，为了把2DEG更好的限制在2ndGaN(GaN沟道层)中，同时避免在1stGaN中形成导电沟道，应该生长较厚的2ndGaN(大于100nm)和较薄的1stAlN(1nm左右)。 经过试验验证，我们发现之前所研制的样品中2ndGaN厚度为100nm、1stAlN为1nm的样品电学性能更好，对二维电子气具有非常好的限制作用。 2.InGaN背势垒结构材料(AlGaN/AlN/GaN/InGaN/GaN)的研究 通过模拟仿真，我们发现，为了将2DEG更加有效地限制在GaN沟道中，提高背势垒高度的同时避免在InGaN中形成导电沟道，应该增加GaN沟道层(大于10nm)和InGaN背势垒(大于1nm)的厚度，并降低In组分(0.1左右)。 经过试验验证，我们发现之前所研制的样品中GaN沟道层为25nm、InGaN背势垒为2-3nm的样品具有较好的材料质量和电学特性，并且符合理论设计要求；GaN沟道层和InGaN背势垒的厚度对于2DEG面密度影响很小，与理论计算结果相符合。 3.InAlN/AlN/GaN结构材料的研究 通过模拟仿真，我们发现AlN的厚度为临界厚度时，2DEG面密度将不随势垒层厚度的变化而变化。原因在于AlN厚度为临界厚度时，In0.17Al0.83N势垒层中总电场为0，导致能够电离给出电子的表面态数量不受In0.17Al0.83N厚度变化的影响。并以此为基础，计算了不同In组分条件下的AIN的临界厚度。 通过试验研究，发现为了获得高质量晶格匹配(LM)的InAlN/GaNHEMT结构材料，应该在低压条件下调节生长温度以控制InAlN势垒层中的In组分。我们所生长的该结构材料方块电阻平均值为255Ω/□，不均匀性达0.94％，常温下二维电子气浓度和迁移率分别为2.1×1013cm-2和1115cm2/V·s，低温下4.33K时，迁移率仅为2706.5cm2/V·s。通过对In0.2Al0.8N(150nm)进行变温PL测试，发现可以用具有两种不同激活能(5.61meV、43.14meV)的热猝灭过程来描述In0.2Al0.8N发光峰的猝灭。 4.InAlN/AlN/GaNHEMT器件的研制 用我们牛长的蓝宝石衬底InAlN/AlN/GaNHEMT结构材料，在我们自己的工艺线上进行了首次流片。所研制的器件最小栅长为1.5μm，其中栅长为2μm，栅宽为90μm的单指器件最大输出电流密度747mA/mm，最大跨导137mS/mm。在漏极电压为10V、栅极电压为-1V时，器件的电流增益截止频率fT为3.2GHz，最高振荡频率fmax为10.7GHz。表明我们所研制的InAlN/AlN/GaNHEMT器件具备一定的性能。