带有原位生长SiN_(x)绝缘层的AlN/GaN毫米波高效率MIS-HEMT器件

本文采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长原位SiN_(x)栅介质制备了用于Ka波段高功率毫米波应用的AlN/GaN金属绝缘体半导体高电子迁移率晶体管(MIS-HEMTs)。原位生长SiN_(x)栅介质显著抑制了栅反向漏电、栅介质/AlN界面态密度和电流坍塌。所研制的MIS HEMTs在V_(GS)=2 V时最大饱和输出电流为2.2 A/mm,峰值跨导为509 m S/mm,在V_(GS)=-30 V时肖特基栅漏电流为4.7×10^(-6)A/mm。采用0.15μm T形栅技术,获得98 GHz的fT和165 GHz的f_(MAX)。大信号测量表明,在连续波模式下,漏极电压V_(DS)=8 V时,MIS HEMT在40 GHz下输出功率密度2.3 W/mm,45.2%的功率附加效率(PAE),而当V_(DS)增加到15 V时,功率密度提升到5.2 W/mm,PAE为42.2%。

基于自支撑GaN和蓝宝石衬底AlGaN/GaN MISHEMT器件对比

通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)法,在氢化物气相外延(HVPE)自支撑GaN衬底和蓝宝石(0001)衬底上外延生长AlGaN/AlN/GaN结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)材料,采用低压化学气相沉积SiN_x作为栅介质层,形成金属绝缘半导体高电子迁移率晶体管(MISHEMT)结构,对比研究了两种器件的材料性能和电学特性。阴极发光测试表明HVPE的自支撑GaN衬底缺陷密度可降至6×10~5 cm^(-2)量级。自支撑GaN衬底上AlGaN/GaN HEMT结构具有良好的表面形貌,其表面粗糙度R_a仅为0.51 nm,具有较大的源漏电极饱和电流I_(DS)=378 mA/mm和较高跨导G_m=47 mS/mm。动态导通电阻测试进一步表明,自支撑GaN衬底上同质外延生长的GaN缓冲层具有低缺陷密度,使AlGaN/GaN MISHEMT电流崩塌特性得到抑制。

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))。

复合栅介质对AlGaN/GaN MISHEMT器件性能的影响

由于LPCVD-Si3N4具有良好的介电特性,常用作AlGaN/GaN高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）的栅介质,然而在高温生长中,易造成GaN界面Ga和N的扩散。针对此问题,提出了一种采用SiON/Si3N4复合绝缘材料作为HEMT器件栅介质的方法,制备了高质量的AlGaN/GaN金属-绝缘层-半导体高电子迁移率晶体管（MISHEMT）器件,并进行了直流测试。测试结果表明,在栅压为18 V时,器件的阈值回滞仅为150 mV,其特征导通电阻为1. 74 mΩ·cm^2（Vgs=2 V）,其击穿电压达到805 V （Ids=100μA/mm）。多频率C-V测试显示,界面态密度可低至2. 9×10^13eV^-1·cm^-2。因此,这种采用SiON/Si3N4复合绝缘材料作为栅介质的方法,在改善器件的阈值回滞、击穿电压和界面态密度等方面效果显著。

磁控溅射AlN介质MIS栅结构的AlGaN/GaN HEMT

报道了一种X波段输出功率密度达10.4W/mm的SiC衬底AlGaN/GaN MIS-HEMT。器件研制中采用了MIS结构、凹槽栅以及场板,其中MIS结构中采用了磁控溅射的AlN介质作为绝缘层。采用MIS结构后,器件击穿电压由80V提高到了180V以上,保证了器件能够实现更高的工作电压。在8GHz、55V的工作电压下,研制的1mm栅宽AlGaN/GaN MIS-HEMT输出功率达到了10.4W,此时器件的功率增益和功率附加效率分别达到了6.56dB和39.2%。

栅极面积和ESD结构对AlGaN/GaN MIS-HEMTs中LPCVD-SiNx栅介质TDDB特性的影响

基于CMOS兼容性GaN工艺,研制出具有低压化学气相沉积SiNx栅介质的硅基AlGaN/GaN异质结金属-绝缘层-半导体高电子迁移率晶体管(MIS-HEMTs)器件。通过威布尔统计分析,研究了栅介质面积和静电释放(ESD)结构对SiNx的经时击穿(TDDB)特性的影响。结果表明,较小的栅介质面积有利于更长的器件寿命,而ESD保护结构有利于提升器件栅介质在高电压应力下的可靠性和稳定性,主要原因为SBD的寄生电容可有效吸收电脉冲感应在介质薄膜中产生的电荷。最后,通过线性E模型预测具有35 nm厚LPCVD-SiNx栅介质的AlGaN/GaN MIS-HEMTs在栅极电压为13 V条件下的击穿寿命可达20年(0.01%,T=25℃)。

Ⅲ族氮化物InAlN半导体异质结研究进展

由于高频大功率固态微波功率电子器件有明显的应用前景,在过去二十年氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)得到广泛研究,取得了一系列进展,并开始走向商业化.为了进一步提高器件性能,尤其是高工作频率和高电压下器件工作的可靠性,新材料、新工艺以及新器件被不断提出,其中基于InAlN材料的晶格匹配无应变异质结凭借优越材料性能成为新一代GaN基HEMT材料.本文结合在III族化合物半导体材料和器件领域的相关工作,对InAlN基异质结半导体材料生长进展做简要综述.在分析InAlN基异质结外延生长的基础上,对我们提出的脉冲式(表面反应增强)金属有机物化学气相淀积(MOCVD)外延InAlN/GaN异质结技术优势和外延材料结果进行了讨论.

晶体管、MOS器件

Y2000-62067-44 0009263绝缘体上硅技术,器件与挑战=Silicon on insulatortechnology,devices,and challenges[会,英]/Cristoloveanu,S.//1998 IEEE International Conferenceon Optoelectronic and Microelectronic Materials and De-vices.—44～48(EC)

Electrical characteristics of AlGaN/GaN metal-insulatorsemiconductor high electron mobility transistor using La_2O_3 gate dielectric

We report the studies of AlGaN/GaN metal-insulator-semiconductor high electron mobility transistors(MISHEMTs) using reactive-sputtered La2O3 as the gate dielectric and the surface passivation layer.The device presents a maximum drain current of 829 mA/mm and a maximum transconductance of 105 mS/mm,while the gate leakage current in the reverse direction is reduced by two orders of magnitude and the forward gate voltage swing increased to +5 V without gate breakdown.Compared to HEMT devices of similar geometry,MISHEMTs present a significant drain current recovery form current collapse.