algangan hemt逆压电效应模型及抑制技术的分析word格式论文.docxVIP

第一章绪论宽禁带半导体是当今世界的科技前沿，是微电子领域的战略制高点，是新一代武器装备跨越式发展的核心技术之一，在航空航天和国防领域中具有十分重要的研究意义。以硅（Si）和砷化镓（GaAs）为代表的第一、二代半导体器件在历史上对国防建设和通讯产业的发展起到了重要的作用，但由于受其禁带宽度的束缚已经无法满足高科技发展的迫切要求，而以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体材料和器件已经成为当今研究的热点。与目前绝大多数的半导体材料相比，GaN具有禁带更宽、饱和漂移速度更大、临界击穿电场和热导率更高、大功率密度、抗辐射、耐高温、超高频等[1]优势，在军用、航空、航天等领域具有非常广阔的应用前景，是最令人瞩目的新型半导体材料之一。随着外延材料质量的不断提高，器件工艺的不断完善，AlGaN/GaNHEMT的发展十分迅速。进入本世纪，GaN器件的工作特性指标飞速提高，尤其是器件的微波功率特性，主要表现在输出功率和功率密度的大幅提高。AlGaN/GaN HEMT的发展主要沿着三条不同的路径进行：直流（DC）特性的发展，主要表现在栅长的变化，电流密度及跨导的提高等；射频（RF）小信号特性的发展，表现在栅长的减小，截止频率（fT）和最大振荡频率（fmax）的提升等；射频大信号特性的发展，表现在功率密度和输出功率的提高，增益及功率附加效率（PAE）的提高等。自Khanetal.于1993 年报道了第一只HEMT 以来，GaN基器件得到不断的发展[2-4]。GaN异质结构因其可以形成高迁移率和高浓度的二维电子气，结合GaN材料本身的高击穿电场(3x106V/cm)特性，可以实现高电压和大电流工作，具有极其出色的功率特性，在微波及高温工作方面得到广泛应用[5-7] 。目前，随着AlGaN/GaNHEMT器件和工艺研究的日趋成熟，在国外(美国、日本等)已有高性能的GaN产品走向市场。§1-1GaNHEMT的发展历程GaN材料具有非常广阔的发展前景，随着商业和国防上对高性能（高频、大功率、体积小等）射频微波电路与系统需求的不断增长，世界上许多国家的科研机构和半导体公司都投入巨资和精力从事GaNHEMT的研究。1971年，Pankvoe 等人[8]报道了第一只GaN 基发光二极管（LED），但是早期的研究工作主要是受限于材料问题，即未能研制出GaN衬底，只能在晶格失适配比较大的衬底上（例如Si）进行异质外延生长，由此导致很高的缺陷密度及高粗糙度的材料表面。1993年，Khan.M.A等人[9]报道了第一只蓝宝石衬底GaNHEMT，该器件栅长为4μm，器件最大饱和电流密度Ids为500mA/mm，跨导为28mS/mm，当时还未有关于微波特性的报道，其1997年报道的GaNHEMT器件饱和电流密度达到lA/mm，fmax为100GHz。随着GaN器件制造工艺的不断发展以及人们对AlGaN/GaNHEMT器件基础理论研究的不断深入，GaNHEMT器件工作特性得到了不断提高。2004年，Y.-F.Wu 等人[10]通过优化场板结构来降低陷阱效应并提高器件击穿电压，成功研制出SiC衬底GaN基HEMT。当采用的场板长度为1.1μm时，在测试频率为4GHz，漏极偏置电压为120V时输出功率密度达到32.2 W/mm，功率附加效率(PAE)为54.8％；在测试频率为8GHz，漏极偏置电压为120V时输出功率密度为30.6W/mm，功率附加效率(PAE)为49.6％。其制作的场板结构如图1.1所示，增益及PAE测试结果如图1.2所示。图1.1SiC 衬底优化场板GaNHEMT[10]Fig 1.1 Optimized field-plateGaNHEMTonSiC图1.2SiC衬底4GHzGaN基HEMT测试结果[10]Fig 1.2 Thetest resultofGaNHEMTat4GHz onSiC2006年，Y.-F.Wu等人[11]研制成功双场板毫米波Cree HPSISiC衬底GaN HEMT。器件栅长0.55μm，双场板长度分别为0.5μm、1.2μm，在4.0GHz下的输出功率密度达到41.4W/mm，大信号增益为16dB，功率附加效率(PAE)为60%，图1.3为双场板GaNHEMT结构图，其功率输出特性如图1.4所示：图1.3双场板GaNHEMT结构图[11]Fig.1.3 Crosssection ofdouble field-plated GaNHEMT图1.4双场板GaNHEMT功率特性[11]Fig.1.4 The powercharacteristic of double field-plated GaNHEMT2007年S.Nakajima, Y.Tateno等人[12]发表文章指出GaNHEMT器件的发展现状，其中包括