基于自建测试平台的GaN基HEMT器件陷阱表征

陷阱效应是影响GaN基HEMT器件性能的主要因素之一。为了提高陷阱表征的精度和时间分辨率,采用瞬态电压法并搭建了专用的测试平台对陷阱进行表征,抑制了电压漂移现象,将时间分辨率从毫秒级提升至微秒级,扩大了陷阱的表征范围,同时基于贝叶斯反卷积算法提取陷阱的时间常数等信息。基于这种方法研究了GaN基HEMT中陷阱在不同电压和温度下的捕获行为,表征其时间常数和激活能等信息。实验结果表明,该器件中存在4种不同类型的陷阱,除了先前已经在B1505上证明的激活能分别为0.058、0.041eV的陷阱DP_(2)和DP_(3),本文还发现了位于微秒级的新陷阱DP_(1),激活能为0.063eV。本文通过搭建测试平台填补了微秒级陷阱表征的空缺,为陷阱的准确、快速表征提供了极大便利。

GaN基HEMT失效热点行为研究

研究了GaN基HEMT器件的失效热点行为。当V_(GS)>V_(th)时,漏极电流I_(D)主要为漏-源导通电流I_(DS),输运机制为漂移;当V_(GS)<V_(th)时,I_(D)主要为反向栅-漏电流I_(GD),输运机制为与可导位错有关的Fowler-Nordheim隧穿。通过分析V_(GS)和I_(DS)变化对热点分布的影响,表明栅极边界耗尽沟道内形成的强横向电场与势垒层内的强垂直电场分别是I_(DS)和I_(GD)电流形成热点的主要原因;同时,还测量了热点的微光光谱,并根据临界电场与最大光子能量得到了电子的平均自由程,约为60 nm。

基于GaN基HEMT结构的传感器件研究进展

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有异质结界面处的高二维电子气(2DEG)浓度、宽禁带、高击穿电压、稳定的化学性质以及高的电子迁移率,这些特性使它发展起来的传感器件在灵敏度、响应速度、探测面、适应恶劣环境上具备了显著的优点。本文首先围绕GaN基HEMT的基本结构发展起来的两类研究成熟的传感器,对其结构、工作机理、工作进展以及优缺点进行了探讨与总结;而后,着重从改变器件材料及优化栅结构与栅上材料的角度,阐述了3种GaN基HEMT新型传感器的最新进展,其中,从材料体系、关键工艺、探测结构、原理及新机理方面重点介绍了GaN基HEMT光探测器;最后,探索了GaN基HEMT传感器件未来的发展方向。

AlGaN/GaN基HEMT器件的研究进展(英文)

由于AlGaN具有高的击穿电场(3 MV/cm,是GaAs的7.5倍),且在AlGaN/GaN异质结处存在高浓度的极化诱导二维电子气,AlGaN基高电子迁移率晶体管是目前最适合应用于微波大功率放大领域的器件。着重对影响高频大功率AlGaN/GaN性能的材料结构和器件制作进行了阐述。

面向高速应用的GaN基HEMT器件

工作在毫米波、亚毫米波频段的固态功率放大器可广泛应用于无线通信、汽车雷达等电子系统。氮化物材料具备禁带宽度大、电子速度高等特点,使得Ga N基HEMT器件成为面向高频器件和高速数字电路等高速应用的理想候选器件。但是为实现更佳的器件指标,仍需要进行多层次的设计和优化。重点讨论了面向高速应用的Ga N基器件所面临的挑战,如载流子限域性、电子速度以及在等比例缩小规律下的导通电阻等问题。分析表明,这些问题的解决将使Ga N基器件在高速、高频等领域得到广泛应用。

不同温度下GaN基HEMT器件氢效应试验研究

该文开展不同温度下GaN基HEMT器件氢气效应的试验研究。通过对比不同氢浓度和不同温度条件下器件变化情况,试验发现常温下不同浓度氢气处理对器件电学特性无显著影响。氢气环境对GaN基HEMT器件栅电流影响似乎存在一个75℃~160℃温度区间内阈值温度,在该温度以下栅电流减小,即绝对值增大,在该温度以上则反之,栅反向电流绝对值减小。160℃下高温对比试验发现,氢效应能够削弱该效应,即抑制栅反向电流绝对值的减小。

GaN基HEMT栅终端场板结构研究

制作了带有栅终端场板结构的GaN基HEMT,研究了击穿电压与场板长度的关系,提取了最佳场板长度为0.4,0.5,0.6μm时所对应的栅漏击穿电压最大,为120 V。研究了栅终端场板对器件小信号特性和大信号的影响,栅终端场板长度0.4μm时,器件特征频率及最大振荡频率减小量最小。在栅宽1 mm、频率8 GHz、无场板器件最大工作电压28 V时,连续波输出功率3.2 W,功率增益4.0 dB,功率附加效率17.0%;栅终端场板器件最大工作电压38 V时,连续波输出功率5.1 W,功率增益4.1 dB,功率附加效率21.0%。

低成本Si基GaN微电子学的新进展

进入21世纪后,宽禁带半导体GaN微电子学发展迅速,SiC基GaN微电子学已成为微波电子学的发展主流,且正在向更高频率和更高功率密度的新一代GaN微波功率器件发展。为了降低成本,Si基GaN微电子学应运而生,在5G通信、电动汽车等绿色能源应用发展的带动下,Si基GaN微电子学已进入产业化快速发展阶段。介绍了Si基GaN微电子学在射频Si基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)新器件结构、工艺与可靠性,Si基GaN HEMT单片微波集成电路(MMIC),Si基E模功率GaN HEMT结构设计,大尺寸Si基GaN HEMT工艺,Si基GaN功率开关器件的可靠性,Si基GaN功率变换器的单片集成和高频开关Si基GaN器件的应用创新等工程化、产业化方面的最新技术进展。分析和评价了低成本Si基GaN微电子学工程化和产业化的发展态势。

低成本Si基GaN微电子学的新进展(续)

进入21世纪后,宽禁带半导体GaN微电子学发展迅速,SiC基GaN微电子学已成为微波电子学的发展主流,且正在向更高频率和更高功率密度的新一代GaN微波功率器件发展。为了降低成本,Si基GaN微电子学应运而生,在5G通信、电动汽车等绿色能源应用发展的带动下,Si基GaN微电子学已进入产业化快速发展阶段。介绍了Si基GaN微电子学在射频Si基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)新器件结构、工艺与可靠性,Si基GaN HEMT单片微波集成电路(MMIC),Si基E模功率GaN HEMT结构设计,大尺寸Si基GaN HEMT工艺,Si基GaN功率开关器件的可靠性,Si基GaN功率变换器的单片集成和高频开关Si基GaN器件的应用创新等工程化、产业化方面的最新技术进展。分析和评价了低成本Si基GaN微电子学工程化和产业化的发展态势。

基于峰值谱技术的GaN基微波功率器件陷阱表征方法

GaN基微波功率器件在高电场影响下产生了界面缺陷和陷阱效应,加剧了器件有源区材料的损伤,是造成其在高频、大功率应用下电学参数退化的重要因素。提出了一种基于贝叶斯迭代的时间常数谱的提取方法,通过采集器件漏源电流瞬态响应曲线,精确提取陷阱俘获、释放电子的时间常数。利用阿伦尼乌斯方程计算陷阱和缺陷的激活能,并通过施加不同的电偏置实现了器件纵向结构各材料层中陷阱和缺陷的特性表征。通过实验表征了处于GaN缓冲层和AlGaN势垒层的陷阱特性,发现存在3个不同作用时间常数的陷阱,一个位于AlGaN势垒层,陷阱激活能为0.6 eV;另一个位于GaN缓冲层,陷阱激活能为0.46 eV;第三个位于AlGaN势垒层,陷阱作用的时间常数与温度无关。

晶格匹配InAlN/GaN HEMT沟道温度评估方法研究

首先分别利用直流电学法、脉冲电学法和微区拉曼光谱法测量了晶格匹配InAlN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的沟道温度,然后评估了各类评估方法的准确性。结果表明:直流电学法获得的温度值远低于拉曼光谱法,严重低估了HEMT工作时的沟道温度;脉冲电学法获得的温度值有所提升,但受限于水平空间分辨率,平均了源极-漏极之间的温度;微区拉曼光谱法能够准确获得沟道最高温度,但测量过程复杂,不适合评估封装器件。最后,提出了一种基于微光显微镜(EMMI)技术的微光电学法,获得了沟道温度的三角分布关系,得到了与拉曼光谱法一致的实验结果。该评估方法适合于实际生产。

小尺寸栅极HEMT器件结温测量

用现有的红外法测量的GaN基HEMT器件结温,比实际最高温度点的温度低。而用喇曼法测量结温对设备要求高且不易于操作。针对现有技术对GaN基HEMT器件结温的测量存在一定困难的问题,设计了一款HEMT器件匹配电路。利用红外热像仪测量HEMT器件的结温升高,并结合物理数值模拟仿真,提出一种小尺寸栅极结温升高测量方法。结果表明,建立正确的仿真模型,可以得到不同栅极长度范围内的温度。通过这种方法可以测量出更接近实际的结温,为之后研究加载功率与壳温对Al GaN/GaN HEMT器件热阻的影响奠定了理论基础,并且为实际工作中热特性研究提供了参考依据。