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文檔簡(jiǎn)介
1、從1993年第一只AlGaN/GaN HFETs問世,經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)25年的研究,AlGaN/GaN HFETs完成了從起初各性能適中的藍(lán)寶石襯底,到低失配、高熱導(dǎo)率的SiC襯底,到低成本、易集成的Si襯底的探索,在器件功率密度、頻率特性、擊穿特性和增強(qiáng)型器件制備等方面進(jìn)行了多方位的研究,并取得了一系列突破性成果。目前,雖然以AlGaN/GaN HFETs為核心的產(chǎn)品已投入市場(chǎng)應(yīng)用,但一些相關(guān)問題仍亟需解決:AlGaN/GaN HFETs器件
2、物理模型亟需完備;小尺寸AlGaN/GaN HFETs器件電學(xué)特性的理論研究亟需完善;作為功率放大器的核心器件,AlGaN/GaN HFETs的非線性失真問題亟需解決。
本論文基于PCF散射理論,結(jié)合AlGaN/GaN HFETs當(dāng)前面臨的問題,以將PCF散射理論應(yīng)用于實(shí)際器件參數(shù)分析和性能提升作為研究重點(diǎn),利用PCF散射理論,從準(zhǔn)確確定器件載流子遷移率、分析小尺寸器件載流子遷移率特性、利用柵長(zhǎng)的設(shè)計(jì)和柵偏壓的選擇提高器件性能
3、、提高器件線性度等方面開展具體的研究工作。具體研究包括以下內(nèi)容:
1.一種準(zhǔn)確確定AlGaN/GaN HFETs載流子遷移率的方法
首先,基于二維散射理論,對(duì)AlGaN/GaN HFETs中PCF散射的形成和理論模型的建立進(jìn)行了詳細(xì)介紹。之后,對(duì)傳統(tǒng)方法計(jì)算載流子遷移率的局限性進(jìn)行了分析。傳統(tǒng)意義上對(duì)柵下2DEG電子遷移率的求解,是基于柵下溝道2DEG受到柵偏壓的調(diào)控,而柵源通道電阻RS和柵漏通道電阻RD不隨柵偏壓的
4、改變而改變,即RS和RD為固定值這一原則(本論文中,柵源通道電阻RS和歐姆接觸電阻RC之和為源串聯(lián)電阻,柵漏通道電阻RD和歐姆接觸電阻RC之和為漏串聯(lián)電阻,RS和RD均不包含歐姆接觸電阻RC)。但是,隨著柵偏壓的改變,由于逆壓電效應(yīng),柵下AlGaN勢(shì)壘層具有不同的應(yīng)變變化,柵下極化電荷會(huì)隨之改變,導(dǎo)致PCF散射會(huì)隨柵偏壓改變。PCF散射對(duì)柵源、柵漏和柵下三部分載流子都有散射作用。RS和RD因受PCF散射的影響,不再是定值,而會(huì)隨柵偏壓變
5、化,這樣一來傳統(tǒng)方法將不再適用。為此,從PCF散射對(duì)RS和RD的影響出發(fā),通過測(cè)得的電流-電壓(I-V)輸出特性曲線和電容-電壓(C-V)曲線,基于二維散射模型,采用迭代計(jì)算的方法,提出了一種準(zhǔn)確確定柵下2DEG電子遷移率的方法。運(yùn)用這一方法,計(jì)算了漏源間距為20μm,柵長(zhǎng)為4μm和16μm的兩樣品的載流子遷移率。并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)柵長(zhǎng)越大的器件,PCF散射對(duì)RS和RD的影響越強(qiáng),新方法和傳統(tǒng)方法的差別越大。最后,基于得到的2D
6、EG電子遷移率,計(jì)算得到器件的跨導(dǎo),并與跨導(dǎo)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比,證明了這一方法的準(zhǔn)確性。
2.小尺寸AlGaN/GaN HFETs載流子遷移率的研究
采用T型柵、n+-GaN歐姆接觸再生長(zhǎng)、SiN鈍化等工藝,制作了柵長(zhǎng)為70nm,柵源間距為300/600nm,柵寬為20/40μm的AlGaN/GaN HFETs。依據(jù)測(cè)得的I-V輸出特性曲線和2DEG電子面密度,基于PCF散射,采用迭代計(jì)算的方法,提取出小尺寸AlGaN/
7、GaN HFETs柵下2DEG電子遷移率和柵源/柵漏通道電阻。分析發(fā)現(xiàn),柵下2DEG電子所受PCF散射在所有散射中占主導(dǎo)地位,其電子遷移率隨柵偏壓增大(柵偏壓增大是指從負(fù)偏壓向正偏壓變化)而增大。并且,漏源間距越大或柵寬越大的器件,2DEG電子遷移率越低。這是由于漏源間距或者柵寬的增大,有效地增大了柵源和柵漏區(qū)域內(nèi)的附加極化電荷數(shù)目,從而對(duì)柵下2DEG電子的PCF散射作用增強(qiáng)。RS和RD隨柵偏壓的降低(柵偏壓降低是指從正偏壓向負(fù)偏壓變化
8、)而增大,并且,漏源間距小的器件或者柵寬大的器件,RS和RD的增大更加明顯。這是由于柵長(zhǎng)不變,漏源間距減小,柵源和柵漏間距隨之減小,柵下附加極化電荷對(duì)更小的柵源和柵漏溝道中的2DEG電子的PCF散射增強(qiáng);柵寬增大,導(dǎo)致柵下附加極化電荷數(shù)目增多,對(duì)柵源和柵漏溝道電子的PCF散射作用也增強(qiáng)。研究表明PCF散射對(duì)小尺寸AlGaN/GaN HFETs器件載流子遷移率具有重要影響,減弱PCF散射,可有效地提高小尺寸AlGaN/GaNHFETs器件
9、性能。
3.不同柵長(zhǎng)和柵偏壓對(duì)AlGaN/GaN HFETs極化庫(kù)侖場(chǎng)散射勢(shì)和柵源通道電阻RS的影響研究
制作了漏源間距為20μm,柵長(zhǎng)分別為4μm、10μm和16μm的AlGaN/GaN HFETs,測(cè)試得到器件的I-V輸出特性曲線和C-V曲線。通過選用不同的2DEG電子波函數(shù)和PCF散射勢(shì),提出了兩種計(jì)算PCF散射的方法,并結(jié)合其它散射機(jī)制,計(jì)算了漏源溝道電阻值。與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),不同柵長(zhǎng)和柵偏壓對(duì)PCF
10、散射勢(shì)有著不同的影響。對(duì)于柵長(zhǎng)小的器件,應(yīng)選擇柵源和柵漏區(qū)域的2DEG電子波函數(shù),及柵下區(qū)域附加極化電荷進(jìn)行PCF散射的計(jì)算。對(duì)于柵長(zhǎng)大的器件,應(yīng)選擇柵下區(qū)域的2DEG電子波函數(shù),及柵源和柵漏區(qū)域的附加極化電荷進(jìn)行PCF散射的計(jì)算。對(duì)于柵長(zhǎng)長(zhǎng)度居中的器件,兩種方法計(jì)算的漏源溝道電阻都和實(shí)驗(yàn)值有著一定的差別。這主要是由于PCF散射理論模型是基于微擾理論建立的,只有PCF散射勢(shì)相比系統(tǒng)的哈密頓量是小量,才能保證PCF散射計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。此
11、外,隨著柵偏壓向負(fù)偏壓不斷降低,PCF散射不斷增強(qiáng),PCF散射勢(shì)能不斷增強(qiáng),這也會(huì)降低PCF散射理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。由此得知,不同柵長(zhǎng)和柵偏壓可以影響器件的PCF散射勢(shì),只有盡可能的選擇小的PCF散射勢(shì)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)哈密頓量,才能符合微擾理論的適用性,從而保證PCF散射理論模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。
制作了柵源間距為3μm,柵漏間距為6μm,柵長(zhǎng)分別為3μm、6μm和10μm的AlGaN/GaN HFETs,采用柵探針法測(cè)試了器件的柵源通
12、道電阻RS。分析發(fā)現(xiàn):不同柵偏壓或柵長(zhǎng)下,相同柵源間距的器件RS呈現(xiàn)不同的電阻值;隨柵偏壓的增大,3μm柵長(zhǎng)的器件RS單調(diào)下降,6μm柵長(zhǎng)的器件RS先下降后上升,10μm柵長(zhǎng)的器件RS單調(diào)上升。這種RS的變化被認(rèn)為是PCF散射造成的。柵下正的附加極化電荷和歐姆區(qū)域負(fù)的附加極化電荷,在PCF散射勢(shì)中存在著抵消作用,柵偏壓或者柵長(zhǎng)的增大會(huì)增加?xùn)畔抡母郊訕O化電荷數(shù)目,改變PCF散射,從而影響RS。這一結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到了很好的驗(yàn)證,并使得
13、改變器件柵長(zhǎng)或者選擇合適的柵偏壓,有效改善RS進(jìn)而提高器件線性度成為可能。
4.極化庫(kù)侖場(chǎng)散射對(duì)AlGaN/GaN HFETs器件線性度的影響研究
制作了柵長(zhǎng)為100nm,漏源間距為2μm和4μm的AlGaN/GaN HFETs器件,選取漏源偏壓VDS=10V(a-g)和漏源偏壓改變(A-G)的兩種不同類型的靜態(tài)工作點(diǎn),基于兩種不同靜態(tài)工作點(diǎn)下的小信號(hào)測(cè)試,得到了器件的功率增益。對(duì)比發(fā)現(xiàn)A-G比a-g的功率增益變化更
14、加平緩,即A-G具有更好的器件線性度變化,并且這種線性度的提高在小的漏源間距器件下更加明顯。研究表明柵偏壓的增大或者漏源偏壓的減小,都可以減弱PCF散射,而PCF散射的減弱,可有效地補(bǔ)償隨柵偏壓增大而增強(qiáng)的POP散射,從而減小RS的變化程度,減緩器件跨導(dǎo)、截止頻率和功率增益隨柵偏壓的下降趨勢(shì),進(jìn)而提高器件線性度。
制作了柵長(zhǎng)為1μm,漏源間距為6μm,柵寬分別為546μm和780μm的AlGaN/GaN HFETs,并進(jìn)行了器
15、件輸入輸出匹配下的功率測(cè)試。發(fā)現(xiàn)柵寬越大的器件,其功率增益變化越平緩,線性輸出特性越好。對(duì)柵源溝道中電子溫度進(jìn)行求解,發(fā)現(xiàn)兩樣品柵源溝道電子溫度幾乎相同,POP散射所決定的RS部分幾乎一致,其隨柵偏壓的增大而增強(qiáng);而兩樣品柵寬不同,柵下附加極化電荷數(shù)目不同,所以PCF散射強(qiáng)度不同,柵寬大的器件具有更多的附加極化電荷,因而具有更強(qiáng)的PCF散射。PCF散射決定的RS部分隨柵偏壓的增大(柵偏壓增大指從負(fù)偏壓向正偏壓變化)而降低,而POP散射決
16、定的RS部分隨柵偏壓的增大而增大,這樣,PCF散射增強(qiáng)可以使RS隨柵偏壓的變化(從負(fù)偏壓向正偏壓變化)減小。最后,對(duì)計(jì)算得到的RS進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)柵寬大的器件RS呈現(xiàn)更平緩的變化。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論計(jì)算上證明了增大器件柵寬,可以提高器件PCF散射,從而提高器件線性度。
制作了柵源和柵漏間距都為1μm,柵長(zhǎng)分別為0.5μm、0.35μm和0.25μm的AlGaN/GaN HFETs。通過跨導(dǎo)測(cè)試分析,發(fā)現(xiàn)柵長(zhǎng)越大的器件,其跨導(dǎo)變化更
17、加平緩。輸入輸出匹配下的功率測(cè)試表明,柵長(zhǎng)越大的器件,其1-dB壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入功率(PIN-1dB)越高,即器件線性度越好。理論計(jì)算了器件各散射機(jī)制對(duì)應(yīng)的RS和總的RS,發(fā)現(xiàn)柵長(zhǎng)大的器件,其柵下附加極化電荷多,PCF散射強(qiáng)。同樣,PCF散射增強(qiáng)可以使RS隨柵偏壓的變化減?。ㄅc增大柵寬的情況相同),從而增大器件柵長(zhǎng)可有效地提高器件的線性度。
基于不同漏源間距、不同柵寬和不同柵長(zhǎng)的器件實(shí)驗(yàn)證明和理論分析,結(jié)合PCF散射,提出了一
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