GaN基毫米波异质结构器件研究

论文摘要

GaN基毫米波器件技术已成为目前最具前景的毫米波大功率器件和功率放大器的理想制造技术。AlGaN/GaN HEMT具有出色的微波功率特性,它在军用和民用领域具有广阔的应用前景。通过缩小栅长提高器件高频率工作时的功率和增益最为有效,如何克服小栅长HEMT器件出现的短沟道效应,成为研发毫米波器件的关键因素。本文首先对AlGaN/GaN异质结薄势垒层结构进行了研究。通过分析AlN势垒插入层的优势,本文在不提高势垒层Al组分的前提下,通过适当增加AlN势垒插入层的厚度,有效减缓了2DEG密度随势垒层厚度的下降,利用MOCVD实现了高2DEG薄势垒层结构的生长。利用这种薄势垒层结构制造的器件最大跨导可达340mS/mm,阈值电压只有-1V。同时该器件较好地克服了小栅长时的短沟道效应,其fT为31GHz、fMAX为70GHz。同时本文分析了薄势垒层器件出现的高漏压下电流退化的现象,经过分析,本文认为自热效应是导致薄势垒层结构器件性能退化的主要原因之一。凹槽栅结构可以在势垒层较厚的前提下提高栅控制能力,是提高器件频率的有效途径。本文研究了刻蚀对AlGaN/GaN异质结材料的损伤机理,对槽栅器件的最大电流、阈值电压以及跨导随刻蚀时间的变化规律进行了研究,通过分析对比,确定出制作凹槽栅器件的最佳刻蚀时间（深度）。本文利用ICP干法刻蚀技术,制造的凹槽栅器件最大跨导为350mS/mm,最大电流密度可达1200mA/mm,fT和fMAX分别达到了60GHz和105GHz。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 毫米波功率器件的研究意义
• 1.2 GaN 材料应用于毫米波器件的优势
• 1.3 GaN 基HEMT 毫米波器件研究进展
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 AlGaN/GaN 异质结材料生长与器件理论研究
• 2.1 AlGaN/GaN 异质结研究
• 2.1.1 AlGaN/GaN 异质结
• 2.1.2 势垒层Al 组分对沟道电子气的影响
• 2.1.3 势垒层厚度对沟道电子气的影响
• 2.1.4 短沟道效应
• 2.2 GaN 材料的生长研究
• 2.2.1 GaN 晶体的生长
• 2.2.2 MOCVD 系统
• 2.2.3 基于蓝宝石衬底的AlGaN/GaN 异质结生长
• 2.2.4 基于SiC 衬底的AlGaN/GaN 异质结生长
• 2.3 HEMT 器件的直流特性分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 薄势垒层器件研究
• 3.1 薄势垒层结构材料的电特性
• 3.2 带AlN 插入层的薄势垒层材料生长研究
• 3.2.1 AlN 势垒插入层分析
• 3.2.2 薄势垒层材料的生长
• 3.3 薄势垒层器件实验结果及分析
• 3.3.1 薄势垒层器件的实验结果
• 3.3.2 薄势垒层器件自热效应的分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 高频凹槽栅器件研究
• 4.1 刻蚀对GaN 材料损伤的研究
• 4.1.1 GaN 刻蚀采用的工艺
• 4.1.2 刻蚀对GaN 材料的损伤
• 4.2 最佳凹槽栅刻蚀时间的选择
• 4.3 短栅长槽栅HEMT 器件实验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献