algan2fgan+hemt电流崩塌效应的测试及仿真研究

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1、第一章引言第一章引言1.1GaN基器件的应用前景和研究进展在半导体产业的发展中，硅和锗一起被称为第一代电子材料。60年代开发出了第二代电子材料，即III-V族化合物半导体，包括GaAs、GaP、InP及其合金。近年来,以GaN为代表的宽禁带半导体材料发展十分迅速，成为第三代电子材料，其性能与第一、第二代电子材料相比有极大优势。表1-1所示为GaN材料与其它材料之间的特性对比。表1-1材料参数对照表[1]材料Eg(eV)Ec(v/cm)K(w/k·cm)μ(cm2/v·s)vpeak(cm/s)Baliga优值Johon优值Si1.123×1051.513001×107

2、1.01.0GaAs1.434×1050.5450002×1079.63.56H-SiC3.02(1~5)×10645602×1073.160GaN3.393.5×1061.315003×10724.680首先，GaN材料的有很宽的带隙，其禁带宽度是Si的3倍、GaAs的2.5倍。如式(1-1)所示，本征载流子浓度与带隙和温度成指数关系，所以在很大的温度范围内半导体的带隙越大，其本征载流子浓度就越低，这就使器件中的泄漏电流和暗电流很低，而这对于光探测器和高温电子器件是非常重要的。m×m-E**33gn=´15eh4T2e2kT(1-1)4.910()i2m0GaN材料

3、具有高的热导率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。大功率和高温器件在汽车、航空和电力应用中都是必需的。例如，对于油/电混合动力汽车和电动汽车的电源电路与电动机驱动电路来说，GaN元器件的魅力在于导通电阻小和工作温度高。GaN元器件不仅发热量减少，而且同极限工作温度大约为175℃的硅元器件相比，可在超过200℃的高温中工1电子科技大学硕士学位论文作，所以，电路的冷却系统有可能得到简化[2]。另外，GaN器件所具有的电流密度大、导通电阻小、电子迁移率高等特点决定了其在微波功率方面有着巨大的应用前景，AlGaN/GaNHEMT的单位毫米栅宽输出

4、功率理论上可达几十瓦，远大于GaAs基微波功率器件。因此，AlGaN/GaNHEMT必将成为微波大功率器件的发展方向[3]。近几年来，国内已经开展了AlGaN/GaNHEMT的研究，中科院微电子研究所报道了蓝宝石衬底上AlGaN/GaNHEMT多指型器件的功率特性，4GHz下输出功率密度达到2.4W/mm[5]。但是，国内研究的总体水平与国外相比还有很大的差距。国外对于AlGaN/GaNHEMT的研究发展相当迅速。SiC衬底上制作的AlGaN/GaNHEMT在10GHz时输出功率密度为10.7W/mm，功率附加效率为40%[5]。尽管蓝宝石衬底上的AlGaN/GaNH

5、EMT受散热的限制，在8GHz时输出功率密度也能达到6.5W/mm，功率增益为1.1dB，功率附加效率为51%[6]。有报道称[7]其研制出的0.15μm栅长的AlGaN/GaNHEMT，电流增益截止频率fT超过100GHz，与GaAs基异质结器件的频率特性相近。其他具有实用意义的AlGaN/GaNHEMT也相继推出，已研制出在6GHz脉冲输出功率为51W的功率放大器，该器件的总栅宽为8mm，倒装在AlN基片上形成单片集成电路[8]。还有类似的AlGaN/GaNHEMT功率单片电路，4mm栅宽的器件在8GHz连续波输出功率为14W[9]。将GaN元器件用于电源电路和电

6、动机驱动电路时，其开关速度快、导通电阻小、可在高温中工作等特点有助于改善效果。其开关时间仅为1ns以下，不到功率MOS晶体管或IGBT的几十分之一。因此，如果采用GaN元器件，则开关电源的开关速度提高，并且，电容器、电感器和变压器等外围元器件可以实现小型化。其导通电阻是功率MOS晶体管的1/10以下，IGBT的几分之一，所以功率损耗有望减少。另外，由于其发热量少，构成电路的元器件可以实现高密度封装，从而输出功率密度也得到提高[2]。制造高性能GaN微波器件不仅与材料质量有很大关系，而且也与器件制备工艺紧密相关。因此，了解当前GaN微波器件的工艺研究进展是非常必要的。(

7、1)欧姆接触[10]低的欧姆接触电阻是制作高性能微波器件的关键。相对较窄带隙的Si，GaAs和InP等材料而言，在GaN上制备低的欧姆接触电阻较为困难。这是因为GaN有较宽的带隙，在金属和半导体界面接触处的接触势垒较高,从而导致大的欧姆接触电阻。为了降低欧姆接触电阻，目前采用淀积多层金属的方法在界面处形成低势垒的多元合金或高的掺杂浓度。2第一章引言合金欧姆接触：这种方法主要是通过真空和电子束蒸发Al，Au或Ti/Ag而在GaN上形成低的欧姆接触的。Wu等人采用两步淀积Ti薄膜及热退火工艺技术对较低掺杂浓度的GaN获得的比接触电阻为5.0×10-6～5