单片集成0·8μm栅长GaAs基InGaP/AlGaAs/InGaAs增强/耗尽型赝配高电子迁移率晶体管

优化了GaAs基InGaP/AlGaAs/InGaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)的外延结构,有利于获得增强型PHEMT的正向阈值电压.采用光学接触式光刻方式,实现了单片集成0.8μm栅长GaAs基InGaP/AlGaAs/In-GaAs增强/耗尽型PHEMT.直流和高频测试结果显示:增强型(耗尽型)PHEMT的阈值电压、非本征跨导、最大饱和漏电流密度、电流增益截止频率、最高振荡频率分别为0.1V(-0.5V),330mS/mm(260mS/mm),245mA/mm(255mA/mm),14.9GHz(14.5GHz)和18GHz(20GHz).利用单片集成增强/耗尽型PHEMT实现了直接耦合场效应晶体管逻辑反相器,电源电压为1V,输入0.15V电压时,输出电压为0.98V;输入0.3V电压时,输出电压为0.18V.

外界条件在电磁脉冲对GaAs赝高电子迁移率晶体管损伤过程中的影响

结合器件仿真软件Sentaurus TCAD,建立了GaAs赝高电子迁移率晶体管器件的电磁脉冲损伤模型.基于此模型,从信号参数和外接电阻两个方面出发讨论了外界条件对器件电磁脉冲损伤效应的影响.结果表明,信号参数的改变能够显著影响器件的损伤时间:信号幅度通过改变器件的吸收能量速度来影响器件的损伤效应,其与器件损伤时间成反比;信号上升时间的改变能够提前或延迟器件的击穿点,其与器件损伤时间成正比.器件外接电阻能够减弱器件的电流沟道,进而延缓器件的损伤进程,且源极外接电阻的影响更加明显.

Sub-6 GHz GaAs pHEMT高功率吸收型单刀双掷开关

基于0.5μm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(pHEMT)工艺,设计了一款高功率吸收型单刀双掷开关芯片。芯片采用堆叠技术和前馈电容技术来提高功率容量和线性度。通过在传统串并联结构的输出端口引入串并联阻容匹配网络,实现了芯片在导通和关断状态下的良好端口匹配。该开关芯片的尺寸为0.82 mm×0.37 mm。实测结果显示,在0.7~6.0 GHz的工作频段内,该开关实现了低于1.1 dB的插入损耗、高于36 dB的隔离度、优于15 dB的通路回波损耗和优于10 dB的断路回波损耗。此外,0.1 dB功率压缩点在1、2、4和6 GHz时,均约40 dBm。

标准氟离子注入实现增强型GaN基功率器件

介绍了一种直接利用离子注入机对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的栅下进行氟(F)离子注入的方法,成功实现了增强型HEMT器件,阈值电压从耗尽型器件的-2.6 V移动到增强型器件的+1.9 V。研究了注入剂量对器件性能的影响,研究发现随着注入剂量的不断增加,阈值电压不断地正向移动,但由于存在高能F离子的注入损伤,器件的正向栅极漏电随着注入剂量的增加而不断上升,阈值电压正向移动也趋于饱和。因此,提出采用在AlGaN/GaN异质结表面沉积栅介质充当能量吸收层,降低离子注入过程中的损伤,成功实现了阈值电压为+3.3 V,饱和电流密度约为200 mA/mm,同时具有一个较高的开关比109的增强型金属-绝缘层-半导体HEMT(MIS-HEMT)器件。

增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管高温退火研究

深入研究了两种增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)高温退火前后的直流特性变化.槽栅增强型AlGaN/GaN HEMT在500℃N2中退火5min后,阈值电压由0.12V正向移动到0.57V,器件Schottky反向栅漏电流减小一个数量级.F注入增强型AlGaN/GaN HEMT在400℃N2中退火2min后,器件阈值电压由0.23V负向移动到-0.69V,栅泄漏电流明显增大.槽栅增强型器件退火过程中Schottky有效势垒提高,增强了栅对沟道载流子的耗尽能力,使器件阈值电压正方向移动,同时降低了栅反向漏电流,而且使得栅能工作在更高能的正向栅压下.F注入增强型器件在退火后由于F离子对二维电子气的耗尽作用在退火后减弱,造成阈值电压负方向移动;F注入对势垒的提高作用在退火后有所减弱,引起了Schottky泄漏电流明显增大.退火后F注入增强型器件的沟道电子迁移率得到明显恢复。

高阈值电压低界面态增强型Al_2O_3/GaN MIS-HEMT

采用高温热氧化栅极凹槽刻蚀工艺并结合高温氮气氛围退火技术,制备出了高阈值电压的硅基GaN增强型Al_2O_3/GaN金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管(MIS-HEMT)。采用高温热氧化栅极凹槽刻蚀工艺刻蚀AlGaN层,并在AlGaN/GaN界面处自动终止刻蚀,可有效控制刻蚀的精度并降低栅槽表面的粗糙度。同时,利用高温氮气退火技术能够修复Al_2O_3/GaN界面的界面陷阱,并降低Al_2O_3栅介质体缺陷,因此能够减少Al_2O_3/GaN界面的界面态密度并提升栅极击穿电压。采用这两项技术制备的硅基GaN增强型Al_2O_3/GaN MIS-HEMT具有较低的栅槽表面平均粗糙度(0.24 nm)、较高的阈值电压(4.9 V)和栅极击穿电压(14.5 V)以及较低的界面态密度(8.49×10^(11) cm^(-2))。

一种频率与带宽可调的可重构射频滤波器芯片

本文基于0.25μm砷化镓赝晶高电子迁移率晶体管工艺设计实现了一款频率与带宽皆可调的有源可重构滤波器芯片。该滤波器采用了双通道信道化拓扑结构,每个通道由两级可调谐振器与三级宽带放大器交叉级联构成,通过对通道内各级谐振器频率的同步和异步控制,实现对滤波器的频率与带宽的调谐,通过不同工作频段的通道间切换组合,实现了频率的宽范围调谐。为了验证该设计的有效性,完成了该滤波器的流片,其尺寸为3.1 mm×3.0 mm。经实测,该滤波器通带中心频率可在2.52 GHz~3.92 GHz之间进行调谐,频率调谐比达到了54%,通道内带宽可实现350 MHz~1080 MHz之间的变化,相对带宽可调范围为12%~33%,同时具备了频率和带宽的宽范围调控能力。

9～15 GHz GaAs E-PHEMT高性能线性功率放大器

基于0.15μm GaAs增强型赝配高电子迁移率晶体管(E-PHEMT)工艺,研制了一款用于5G通信和点对点传输的高性能线性功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。采用栅宽比为1∶4.4的两级放大结构保证了电路的增益和功率指标满足要求;基于大信号模型实现了最优输入输出阻抗匹配;采用电磁场仿真技术优化设计的MMIC芯片尺寸为2.5 mm×1.1 mm。芯片的在片测试结果表明,静态直流工作点为最大饱和电流的35%、漏压为5 V的条件下,在9~15 GHz频率内,MMIC功率放大器小信号增益大于20 dB,1 dB压缩点输出功率不小于27 dBm,功率附加效率不小于35%,功率回退至19 dBm时三阶交调不大于-37 dBc。

GaN基增强型HEMT器件的研究进展

随着电力转换系统功率密度和工作频率的不断提高,需要开发性能优于传统半导体的功率器件。作为第三代半导体材料的典型代表,氮化镓(GaN)被认为是提高大功率电力系统转换效率的新一代功率器件的主要候选材料。在操作类型方面,增强型(也称为常关型)器件具有安全、能简化电路设计以及更优的电路拓扑设计等优势,在行业应用中更具吸引力。总结并对比了目前国际上主流的GaN基增强型器件的结构和制备工艺,着重介绍了基于栅凹槽结构的功率器件技术,特别是栅槽刻蚀后的界面处理、栅介质层的优化技术。围绕器件的关键指标,总结了材料外延结构、欧姆接触、场板以及钝化工艺对器件性能的影响,提出了未来可能的技术方案。

增强型AlGaN/GaN HEMT器件工艺的研究进展

随着高压开关和高速射频电路的发展,增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)成为该领域内的研究热点。增强型GaN基HEMT只有在加正栅压才有工作电流,可以大大拓展该器件在低功耗数字电路中的应用。近年来,国内外对增强型GaN基HEMT阈值电压的研究主要集中以下两个方面:在材料生长方面,通过生长薄势垒、降低Al组分、生长无极化电荷的AlGaN/GaN异质材料、生长InGaN或p-GaN盖帽层,来控制二维电子气浓度;在器件工艺方面,采用高功函数金属、MIS结构、刻蚀凹栅、F基等离子体处理,来控制表面电势,影响二维电子气浓度。从影响器件阈值电压的相关因素出发,探讨了实现和优化增强型GaN基HEMT的各种工艺方法和发展方向。

蓝宝石衬底上槽栅型X波段增强型AlGaN/GaN HEMT

研制了一款X波段增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。在3英寸(1英寸=2.54 cm)蓝宝石衬底上采用低损伤栅凹槽刻蚀技术制备了栅长为0.3μm的增强型AlGaN/GaN HEMT。所制备的增强型器件的阈值电压为0.42 V,最大跨导为401 mS/mm,导通电阻为2.7Ω·mm。器件的电流增益截止频率和最高振荡频率分别为36.1和65.2 GHz。在10 GHz下进行微波测试,增强型AlGaN/GaN HEMT的最大输出功率密度达到5.76 W/mm,最大功率附加效率为49.1%。在同一材料上制备的耗尽型器件最大输出功率密度和最大功率附加效率分别为6.16 W/mm和50.2%。增强型器件的射频特性可与在同一晶圆上制备的耗尽型器件相比拟。

栅下双异质结增强型AlGaN/GaN HEMT

为获得更高的阈值电压,提出了一种新型栅下双异质结增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。使用双异质结电荷控制模型分析了基本机理,推导了阈值电压表达式。仿真结果表明,器件阈值电压与调制层Al组分呈线性关系。当调制层Al组分小于势垒层时,阈值电压增大,反之减小。调制层厚度可加大这种调制作用。当调制层Al组分为0%、厚度为112 nm时,器件具有2.13 V的阈值电压和1.66 mΩ·cm;的比导通电阻。相对于常规凹槽栅结构,新结构的阈值电压提高了173%。

增强型GaN绝缘栅HEMT线性电荷控制解析模型

基于MIS理论和含极化的泊松方程,应用费米能级与二维电子气密度线性近似,并考虑计入了绝缘体/AlGaN界面的陷阱或离子电荷,导出建立了适用于增强型且兼容耗尽型AlGaN/GaN绝缘栅HEMT的线性电荷控制解析模型。研究表明,Insulator/AlGaN界面陷阱密度在1013cm-2数量级;基于该模型的器件转移特性的理论结果与器件的实测转移特性数据比较符合。该模型可望用于器件性能评估和设计优化。

栅槽刻蚀工艺对增强型GaN HEMT器件性能的影响

基于凹槽栅增强型氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)研究了不同的栅槽刻蚀工艺对GaN器件性能的影响。在栅槽刻蚀方面,采用了一种感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术与高温热氧化湿法刻蚀技术相结合的两步法刻蚀技术,将AlGaN势垒层全部刻蚀掉,制备出了阈值电压超过3 V的增强型Al_2O_3/AlGaN/GaN MIS-HEMT器件。相比于传统的ICP干法刻蚀技术,两步法是一种低损伤的自停止刻蚀技术,易于控制且具有高度可重复性,能够获得更高质量的刻蚀界面,所制备的器件增强型GaN MIS-HEMT器件具有阈值电压回滞小、电流开关比(I_(ON)/I_(OFF))高、栅极泄漏电流小、击穿电压高等特性。

2~6GHz高性能开关滤波器组MMIC

基于0.25μm GaAs E/D赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺,设计了一款2~6 GHz开关滤波器组单片微波集成电路(MMIC)芯片。片上集成了8路带通滤波器、输入、输出单刀八掷(SP8T)开关、3-8译码器和驱动器。通过输入、输出SP8T开关进行通道选择,采用三串两并结构,提高了通道间隔离度。带通滤波器组采用多级LC谐振器实现,最小、最大相对带宽分别为18%和100%,可用于宽带及窄带滤波器设计,具有通带插入损耗小,阻带抑制度高等优点。末级级联低通滤波器,实现远端寄生通带抑制大于35 dBc。在片探针测试结果显示,该开关滤波器组芯片在2~6 GHz频率范围内,每个带通滤波器的插入损耗均小于8.5 dB,阻带衰减为40 dB。该芯片具有通道多、功能复杂、集成度高的特点,可应用于宽带雷达系统进行频率预选。

基于GaAs-0.25μm L波段高效率功率放大器设计

针对功率放大器在宽频带范围内存在效率低、增益平坦度陡峭而导致导航定位系统能量利用率过低的问题,基于海威华芯0.25μm GaAs pHEMT工艺,利用负载牵引技术和LRC增益均衡结构,设计了一款高效率、平坦化高增益的单片微波集成(MMIC)功率放大器芯片。结果表明:在1475~1675MHz工作频带内,功率放大器的功率附加效率为55%~62.3%,增益平坦度为±0.29dB,同时其功率增益和输出功率分别达到32.65dB和33.5dBm。

14～14.5GHz 20W GaAs PHEMT内匹配微波功率管

介绍了一种Ku波段内匹配微波功率场效应晶体管。采用GaAs PHEMT 0.25μmT型栅工艺,研制出总栅宽为14.4mm的功率PHEMT管芯。器件由四管芯合成,在14～14.5GHz频率范围内,输出功率大于20W,附加效率大于27%,功率增益大于6dB,增益平坦度为±0.3dB。

干法刻蚀和氢等离子体处理制备增强型p-GaN栅AlGaN/GaN HEMT特性

增强型p-GaN栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅与源漏之间的沟道特性对器件性能具有重要的影响。在同一晶圆衬底上,采用干法刻蚀和氢等离子体处理栅与源、漏之间的p-GaN,制备增强型p-GaN栅AlGaN/GaN HEMT。对器件静态、动态特性和栅极漏电特性进行研究,采用两种方法制备的器件均具有较高的击穿电压(>850 V@10μA/mm)。通过氢等离子体处理制备的器件的方块电阻较大,导致输出电流密度较低,在动态特性和栅极漏电方面具有明显的优势,氢等离子体处理技术提高了界面态的缺陷激活能,从而实现了较低的栅极反向漏电。

增强型AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的质子辐照效应

利用70 keV和140 keV质子辐照增强型AlGaN/GaN绝缘栅高电子迁移率晶体管(MIS-HEMTs),得到了最大饱和电流线密度、阈值电压及栅泄漏电流线密度等关键参数的退化规律,并与常规HEMTs器件的辐照退化行为进行了比较,并通过SRIM计算结果和C-V测试结果进一步分析了MIS-HEMTs的退化机制。结果表明,质子辐照在栅介质层和栅介质/AlGaN界面引入的辐照缺陷会导致界面态充/放电效应,使阈值电压正向漂移;辐照缺陷增加了电子穿越势垒的概率,导致栅极泄漏电流线密度增大;2维电子气(2DEG)沟道层产生的辐照缺陷俘获电子,导致2DEG密度降低,使饱和漏电流线密度降低。与常规肖特基栅器件相比,栅介质的存在使器件对质子辐照更为敏感。结合仿真计算结果可知,器件中低能质子的非电离能损区接近2DEG沟道层,是导致低能质子辐照对器件损伤更为严重的主要原因。通过变频电容分析发现,质子辐照后器件界面电荷密度增加,并引入了大量深能级缺陷。

氧等离子体处理对薄势垒增强型AlGaN/GaN HEMT的影响

提出了一种利用薄势垒结构制造增强型AlGaN/GaN HEMT的方法。研究了SiN钝化对薄势垒AlGaN/GaN异质结的影响,并利用其控制沟道中的二维电子气密度。具有10nm SiN介质插入层欧姆接触在800℃下退火可以得到较好的接触性能。栅极区域中的SiN被刻蚀,以耗尽下面的二维电子气,从而使薄势垒AlGaN/GaN HEMT实现增强特性,其阈值电压为50 mV。对介质刻蚀后暴露的AlGaN表面进行氧等离子体处理,与未经处理的器件作对比,发现阈值电压提升到0.5V,栅漏电降低了一个数量级,击穿特性得到改善,但是最大饱和电流密度降低了。