无凹槽AlGaN/GaN肖特基势垒二极管正向电流输运机制

研究了无凹槽AlGaN/GaN肖特基势垒二极管(SBD)的正向电流输运机制。分别采用Ni/Au和TiN作为阳极金属材料制备了无凹槽AlGaN/GaN SBD,对比了两种SBD的直流特性。并通过测量器件的变温I-V特性,研究了器件的正向电流输运机制。结果表明,TiN-SBD(0.95 V@1 mA·mm^(-1))与Ni/Au-SBD(1.15 V@1 mA·mm^(-1))相比实现了更低的开启电压,从而改善了正向导通特性。研究发现两种SBD的势垒高度和理想因子都强烈依赖于环境温度,通过引入势垒高度的高斯分布模型解释了这种温度依赖性,验证了正向电流输运机制为与势垒高度不均匀分布相关的热电子发射机制。

AlGaN/GaN异质结肖特基二极管研究进展

氮化镓GaN(gallium nitride)作为第三代半导体材料的代表之一,具有临界击穿电场强、耐高温和饱和电子漂移速度高等优点,在电力电子领域有广泛的应用前景。GaN基器件具有击穿电压高、开关频率高、工作结温高、导通电阻低等优点,可以应用在新型高效、大功率的电力电子系统。总结了AlGaN/GaN异质结肖特基二极管SBD(Schottky barrier diode)目前面临的问题以及目前AlGaN/GaN异质结SBD结构、工作原理及结构优化的研究进展。重点从AlGaN/GaN异质结SBD的肖特基新结构和边缘终端结构等角度,介绍了各种优化SBD性能的方法。最后,对器件的未来发展进行了展望。

退火处理降低AlGaN/GaN台面隔离电流

针对电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀后,AlGaN/GaN台面区域存在隔离电流高的问题,研究了不同退火氛围、时间、温度对台面隔离电流的影响。利用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)及电学测量仪器对样品进行表征和测试。测试结果表明,在氧气和氮气氛围退火处理均能降低样品的隔离电流,且经退火处理后样品的隔离电流均处于10-9 A/mm数量级,但在氧气氛围中退火处理会使样品的欧姆接触电阻增大。在氮气氛围下的最佳退火处理条件为400℃、120 s。在该条件下样品经过退火处理后,在200 V直流偏压下测得样品的台面隔离电流仅为4.03×10^-9 A/mm,与未经退火处理的样品相比降低了4个数量级,而且在高温测试中样品的隔离电流仍然能够保持较低的数值。

Ar离子注入边缘终端准垂直GaN肖特基势垒二极管

为了研究离子注入边缘终端对准垂直GaN肖特基势垒二极管性能的影响,对器件进行了二维模拟仿真,分析了终端区域尺寸对肖特基结边缘处峰值电场及正向特性的影响,得到了宽度5μm、厚度200 nm的最优终端区域尺寸。基于工艺仿真软件设计了Ar离子注入工艺参数,依次以30 keV、5.0×10^(13)cm^(-2),60 keV、1.5×10^(14)cm^(-2)和140 keV、4.5×10^(14)cm^(-2)的注入能量和注入剂量进行多次注入,形成了Ar离子终端结构。采用Ar离子注入终端的GaN二极管的反向击穿电压从73 V提高到146 V,同时注入前后器件正向特性变化不大。结果表明,采用优化尺寸参数的终端结构能够有效降低肖特基结边缘处的峰值电场强度,从而提高器件的反向击穿电压。

AlGaN/GaN HEMT凹栅槽结构器件的频率特性

采用一系列不同栅长和结构的T型栅器件来研究凹栅槽结构抑制短沟道效应和提高频率特性的作用。随着栅长不断缩短,短沟道效应逐渐明显,栅长从300 nm缩短至100 nm时,亚阈值摆幅逐渐增大,栅对沟道载流子的控制变弱,且器件出现软夹断现象。凹栅槽结构可以降低器件的亚阈值摆幅,提高开关比,栅长100 nm常规结构器件的亚阈值摆幅为140 mV/dec,开关比为106,而凹栅槽结构器件的亚阈值摆幅下降为95 mV/dec,开关比增大为107,凹栅槽结构明显抑制了短沟道效应。在漏源电压为20 V时,100 nm栅长的凹栅槽结构器件的截止频率和最高振荡频率达到了65.9和191 GHz,同常规结构相比,分别提高了5.78%和4.49%。由于凹栅槽结构缩短了栅金属到二维电子气（2DEG）沟道的间距,增大了纵横比,所以能够改善器件的频率特性。

CMOS兼容的Si基GaN准垂直结构肖特基势垒二极管

在Si基GaN上制备了与CMOS工艺兼容的高性能准垂直结构肖特基势垒二极管(SBD)。探索了在GaN体材料上基于Ti/Al/Ti/TiN结构的无金欧姆接触工艺,在650℃的N_(2)氛围退火60 s实现了较好的欧姆接触性能。通过采用电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀工艺,实现了低损伤的侧壁。同时采用TiN作为肖特基金属,实现了较低的开启电压。器件制备完成后对其进行分析表征。测试和分析结果表明,制备的无金工艺的准垂直GaN SBD实现了0.5 V的低开启电压,0.37 mΩ·cm^(2)的比导通电阻,理想因子为1.06,势垒高度为0.81 eV。器件的击穿电压为256 V,巴利加优值(BFOM)达到了177 MW/cm^(2)。研究表明,采用无金工艺制备GaN SBD具有技术上的可行性,该技术有望降低GaN SBD的制造成本。

表面处理对肖特基接触的影响

研究了不同的表面处理方法对器件肖特基特性的影响。实验结果表明,采用氧等离子体及体积比(HF:NH_4F)为1:7的BOE溶液对Al Ga N/Ga N异质结材料表面进行处理后,其肖特基接触特性比盐酸或者氨水溶液处理有了明显的改善。当栅压为–50 V时,栅反向漏电仅为3.8×10^(–5) A/mm,相比降低了1~2个数量级。另外,电容电压CV测试结果显示,经过BOE溶液处理表面,明显降低了器件表面态密度,达到1013cm^(–2)·e V^(–1)量级,表面态密度的降低,提高了肖特基势垒高度,降低了隧穿电流和表面漏电。

AlGaN/GaN非凹槽混合阳极SBD射频性能及建模

基于大功率微波输能的需求,制备了新型AlGaN/GaN非凹槽混合阳极肖特基势垒二极管(SBD)。对新型结构的器件进行了小信号建模,可用于微波输能电路设计。通过开路、短路去嵌结构法从小信号S参数中提取了器件的寄生电容、电感和电阻,结合去嵌后的S参数与直流I-V、C-V特性曲线提取了器件的本征参数。综合寄生和本征参数建立了器件的小信号模型,将模型仿真结果与器件的实测结果进行了对比,同时引入误差因子评估了模型的准确度。结果表明,在0.1~10 GHz内,回波损耗相对误差小于4.1%,插入损耗相对误差小于3.7%,验证了所提出模型的可行性和准确性。

X-band AlGaN/GaN HEMTs with high microwave power performance

An X-band AlGaN/GaN high-electron-mobility transistor (HEMT) on SiC substrate with high microwave power performances has been achieved. Its small-signal characteristics with a gate-length of 0.4 μm showed a unity current gain cut-off frequency (fT) of 22 GHz and a maximum oscillation frequency (fmax) of 65 GHz. The GaN HEMT device with a gate width of 1 mm exhibited a continuous-wave saturated output power of 10.2 W and a linear gain of 14.8 dB at 8 GHz, and successfully achieved the power-added efficiency (PAE) as high as 69.2%, which is very suitable for X-band power applications.