浅析gan基新型结构hemt器件

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1、浅析GaN基新型结构HEMT器件姜文海（南京电子器件研究所江苏南京２１００１６）摘要：近些年来，随着时代经济的飞速发展以及科技的进步，ＧａＮ材料不仅仅有着较高的饱和电子迁移速度，同时也有着较高的击穿场强。对于ＧａＮ基的ＨＥＭＴ器件而言，是实现毫米波功率器件的一种重要选择。分析ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件时，首先对ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件的发展历程进行回顾，其次对ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件的设计原理做了具体的分析，最后探讨了ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件的基本结构。..关键词：ＧａＮ基；ＨＥＭＴ器件；毫

2、米波中图分类号：TN386.6文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．15．０40收稿日期：２０１5－07－16对于当前的ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件而言，由于存在极化效应所产生的较强的二维电子气，在应用中可使工作效率、工作频率全面提高。虽然通过有效减少栅长可使工作频率进一步增加，但也会使栅下的横向电场不断增大，导致载流子难以达到饱和电子漂移速度。而栅长减少到一定程度，同样也引起一定的短沟道效应，对于器件的高频性能有着直接性的影响。本着短沟道效应抑制和导通电阻减小

3、的目的，对ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件做了具体的分析和讨论。１ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件发展历程２１世纪的今天，无线通讯和雷达以及航天等领域的发展中，对于半导体器件的性能有着越来越高的要求。而ＧａＮ基高电子迁移率晶体管，逐渐体现出其他晶体管所不具备的优势。ＧａＮ相对而言，饱和迁移率较高，同时击穿场强相对较强，在２０１１年，ＧａＮＨＥＭＴ耗尽型器件的截止频率已达到２７０ＧＨｚ。此外，ＧａＮＨＥＭＴ增强型器件，同样也有着较高的截止频率，为１１２ＧＨｚ，如图１所示。对于增强型的器件而言，在电路的简化设计中，主

4、要是在高速数模电路中有着广泛的应用。2ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件的设计原理短沟道效应的本质在于栅长减小时栅对沟道载流子的控制变弱，抑制短沟道效应的关键在于增强栅控能力。通行的做法有两个：一是减薄势垒层厚度从而减小栅与沟道间距；二是增强对２ＤＥＧ的沟道约束。导通电阻的问题也比较复杂。导通电阻对于频率特性影响极大。增加沟道中２ＤＥＧ浓度既可以减小外延材料的方块电阻，从而减小源漏极与栅之间的电阻，又可以增大欧姆接触隧穿电流，减小欧姆接触电阻。3ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件材料的结构３．１短沟道效应的抑制对短沟

5、道效应进行抑制的一种有效方法是，通过将势垒层的厚度逐渐减薄，并结合ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件背势垒结构中，如图２所示。势垒层的厚度减薄过程中，通过做好短沟道效应的根本抑制，将栅下势垒层逐渐减薄，并保证源漏区处于不变的状态，只减薄栅下势垒层，源漏区保持不变，也就是通常的栅凹槽结构。采用薄势垒就能产生高２ＤＥＧ浓度的新型势垒层材料，比如ＩｎＡＩＮ，ＡＩＮ等。带有背势垒结构的器件性能好于普通结构，但是，由于ＡＩＧａＮ和ＡＩＮ与作为沟道的ＧａＮ晶格不匹配，产生的应变和新的极化场会导致２ＤＥＧ浓度的降低，进而导致

6、导通电阻变大。３．２导通电阻的减小导通电阻不仅仅是存在于漏源极和栅之间的一种电阻，同时也存在欧姆接触电阻，在将源漏极和栅之间电阻不断减少过程中，结合一种常规的思路，将沟道中的２ＤＥＧ浓度显著增加，并将外延材料的方块电阻全面降低。对传统的ＧａＮ材料而言，其自发极化强度相对较强，其薄势垒相对而言，产生的２ＤＥＧ浓度相对较高，同时也将导通电阻有效降低。这种材料晶格处于相对较好的匹配状态中，同样也将器件可靠性显著提高。对于目前国际上的毫米波ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件而言，通过将欧姆接触电阻不断降低，再结合材料的

7、性质，将器件接触区域的载流子浓度显著增加，进而实现遂穿电流的显著性增大，这种器件接触区域的不断增加中，其中的载流子浓度就要将沟道２ＤＥＧ的浓度显著增强，注重沟道２ＤＥＧ浓度的显著增加，结合ｎ型重掺杂过程，将欧姆接触电阻全面降低，往往有着相对复杂的工艺过程。基于ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件而言，在ＧａＮ层面上，对欧姆接触进行移植，并保证电子亲和势有着一定的强度，并在势垒高度不断上升过程中，将欧姆接触制作的难度逐渐增大，这种欧姆接触过程中，将欧姆接触电阻数量级逐渐降低，实现ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件频率的一

8、种特殊性改善。4结语总而言之，ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件相对而言，有着相对特殊的毫米波大功率特点，应用前景相对而言比较广阔，在栅长逐渐缩小中，注重器件频率的全面提高，在小栅长中ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件短沟道效应克服中，注重源漏间导通电阻的有效减少。在借助于相对较高２ＤＥＧ浓度的一种新型势垒层材料，将导通电阻有效减低，栅控制能力提高中，就要采取凹槽栅结构，将结构的操作性显著增强，进而将器件的频率全面提高。..