毫米波gan基hemt器件材料结构发展的研究

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1、毫米波GaN基HEMT器件材料结构发展的研究张效玮1,2房玉龙2贾科进1敦少博2冯志红2赵正平11.河北工业大学，信息工程学院，天津3001302.专用集成电路重点实验室，石家庄050051摘要：本文回顾了GaN基HEMT器件材料结构的发展历程，就目前GaN基毫米波HEMT器件设计应用存在的两个主要问题进行了机理分析，并对GaN基HEMT器件的毫米波应用未来发展方向做出了前瞻。同时从GaN基HEMT器件材料结构设计入手对解决方案进行了探讨研究。我们认为，针对面向毫米波应用的GaNHEM材料结构，为有效的抑制短沟

2、道效应，可以采用栅凹槽结构加背势垒。采用InAlN等材料，可以有效的降低导通电阻。Kumar等人报道7fel21GHz、丘x-165GHz的AIGaN／GaNHEMT[9]。2006年，Higashiwaki等人报道了栅长小于O．2gtn。AIo．4GaN厚度为8nm的AIGaN／GaNHEMT，。庐163GHz、N工o≮Year图1GaN基HEMT截止频率近年的发展，左图为耗尽型器件，右图为增强型器件二。x=192OHe4101。不久，该研究小组又报道了栅长为30nm，用S烈进行表面钝化l拘Alo．4GaN佑

3、栅Mr的ft=l$1GHz．丘庐186GHztll】。2008年，该研究小组又在SiC衬底上制作出栅长Y960nm，用S烈进行表面钝化的Alo．4GaN(6nm)／oaNHEMTff'J皈=190GHz、启。x-251GHz，这是目前所报道的AIGaN／GaNHEMT的最好频率特性。2010年，Sun等人使用新的势垒层材料II姨烈研制出的GaN基HEMT才突破这个纪录，势垒层厚度6r皿，．矗达到Y205GH≯”l。随后，新的势垒层材料的应用逐步展开；2011年IEDM会议上，HRL的kshillo蝴道了AN作为

4、势垒层的G矾基脏MT的结果，ft达至lJT220GI-Iz，做是达到了400GH≯14】。目前耗尽型GaNHEMT频率特性的最好结果是无为270GHz，势垒层材料也是采用InAIN。_t．．，增强型器件能够简化电路设计，对于GaN基HEMT的微波电路应用意义重大。但是AIG冰船aN异质结构而言，天然形成的是耗尽型器件，增强型器件的结果一直到1996年，才由khan报道了第一只增强型器件。2006年，UCSB的palacios采用凹栅与氟处理相结合的方式，在栅K160nm-F实现了矗为85GHztl5】。2007

5、年Higashiwaki等人报道了势垒层厚度仅为2nlll的增强型AIN／GaNHEMT，在栅长10011111下实现瓢为87GHz[161。目前增强型GaNHEMT频率特性的最好结果是兵为l12GHz，势垒层材料也是采用薄层A1Ntl71。但是，目前短沟道效应和源漏间较大的导通电阻是毫米波GaN基HEMT的应用面临的重要问题。在HEMT器件毫米波应用中，提高工作频率最直接有效的方式是减小栅长。减小栅长可以有效的减小载流子的栅下渡越时间，且随着栅长的减小，栅下横向电场增大，载流子更容易达到饱和电子速度。但是栅长

6、的减小常常带来短沟道效应的问题，如器件漏电变大，阈值电压漂移，会极大的影响器件的高频性能。源、293漏端的导通电阻也是HEMT器件毫米波应用中的关键问题之一，源、漏端的导通电阻能够增大器件的时常数，严重影响器件的频率特性。目前，GaN基HEMT的毫米波应用研究方兴未艾，如何就毫米波应用进行针对性的器件材料结构设计目前缺乏系统的研究。本文从抑制短沟道效应和减小导通电阻出发，对毫米波GaN基HEMT器件的材料结构设计的发展进行了研究。1机理分析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

7、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。源漏两端的导通电阻包括两部分：源漏极与栅之间的电阻如s和如D，以及源漏欧姆接触电阻，飓和如。时常数的公式如下：1xtogal=——●●Z耳，t=1Cgs-FI-Cgd+(鼢+幻s捌+幻d)．詈粤ROUt蹦哪。+(Rs÷R9s+Rd÷Rgd)·Cgd可见，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

8、接触隧穿电流，减小欧姆接触电阻。2材料结构分析2．1短沟道效应抑制抑制短沟道效应可以采取减薄势垒层厚度的方法。研究GaN基Ⅷ删波特性发展路线，我们可以发现。势垒层逐渐减薄，从一开始的30nm至lJ201196)弓份的4．5nm，目的就是增强栅控能力，抑制短沟道效应。对于减薄势垒层厚度而言，根据Oreg．H的研究，VtbalTj曩>15时，短沟道效应才会得到明显的抑制，如图2(黑线所示)