由于氮化镓基材料具有高迁移率、高电子饱和速率以及高击穿场强的特点,使得氮化镓基HEMT器件在毫米波功率器件和集成电路领域具有很大优势。
对于毫米波功率器件，最大震荡频率、输出功率、功率附加效率是最为重要的指标。为了提高毫米波功率器件的关键指标,本文对AlGaN/GaN毫米波功率器件进行了系统性研究。
HEMT器件工作原理
对GaN基材料的极化效应、GaN异质结中二维电子气的产生机理和HEMT器件工作原理进行阐述;论述了GaN异质结外延材料的生长以及HEMT器件整体工艺制备方法,重点对器件制作过程中的关键工艺进行阐述,包括新片清洗、欧姆接触、有源区隔离、表面钝化、栅槽刻蚀、凹槽刻蚀、栅极以及互联制作;最后对最高截止频率fT、最高震荡频率fmax、输出功率Pout、功率增益Gain、功率附加效率PAE这五项毫米波功率器件基本参数进行介绍,并提出提高各项参数的途径。
器件结构
重点研究了器件的栅结构、钝化层结构、短沟道效应以及源漏间距与频率特性的对应关系。在栅结构和钝化层的研究中,器件工作频率随着栅长的减小而提高,但是随着栅长的减小,栅极电阻成为制约频率提高的主要因素。
为了解决栅极电阻和栅长的矛盾关系,本文提出了一种T型栅结构,并对T型栅中栅跟高度、栅帽宽度、钝化层厚度进行仿真分析。
提出了器件栅跟高度为120nm、栅帽宽度为500nm时,可以将栅帽引入的寄生电容最小化,同时还可以有效解决栅极电阻对功率增益的影响。
在抑制短沟道效应的研究中,本文深入分析了短沟道效应出现的原因,并且提出改善短沟道效应的方案。
在器件源漏间距的设计中,综合考虑寄生电容和寄生电阻对频率的影响,确定栅源间距为0.9μm;从器件击穿电压的影响考虑,确定栅漏间距为1.5～2μm。
电子束光刻工艺
针对本文提出的器件栅结构,开展了电子束光刻工艺研究。电子束光刻工艺包括电子束光刻胶及其对应显影液研究、电荷积累以及主场拼接研究,以及曝光剂量以及曝光图形研究。最终实现了40nm最小线条、50nm浮空T型栅以及90nm的浮空T型栅结构器件。
短沟道效应
对器件设计中的短沟道效应进行研究,提出了一种AlGaN常规势垒层结合凹槽刻蚀的解决方案。首先对凹槽刻蚀工艺进行研究,确定上下电极分别为100W/10W,C1流量为15sccm,腔室压力为5mTorr时可以实现陡直的侧壁。
在此基础上研究不同刻蚀深度对不同栅长器件阈值电压、最大跨导、饱和电流、关态特性以及肖特基特性的影响。研究表明不同栅长需要匹配不同势垒层厚度才能有效抑制短沟道效应。
对于工作在毫米波频段的器件,栅长一般需要小于100nm,此时对应的栅下势垒层厚度需要小于10nm。采用此种配置制作出的器件跨导达到400mS/mm,关态漏电流密度小于10-3mA/mm,DIBL小于30mV/V,击穿电压为85V,fT为53GHz,fmax为147GHz,频率特性与未凹槽刻蚀器件相比有很大提升。
离子体处理方法
重点阐述了所提出的对器件有源区进行N20等离子体处理方法。该方法是在栅下用等离子体处理,形成了约3nm厚的氧化层,可以有效抑制凹槽刻蚀引起的栅极漏电流增大、射频跨导崩塌,同时还可以部分修复刻蚀损伤引起的迁移率降低。测试表明,该器件栅极漏电流降低了三个数量级,且当栅极电压为3V时,栅极漏电流密度仍低于1mA/mm,保证了器件可以在大栅压下工作。
研究表明了对栅源、栅漏区域进行等离子体处理,不仅可以有效抑制钝化层去除引起的有效栅长扩展,提高器件工作频率;还可以提高钝化效果,使电流崩塌量小于5%。
高性能毫米波器件
基于前面的研究结果,研制出了三种高性能毫米波器件,分别为超高频毫米波器件、高效率毫米波功率器件、增强型毫米波器件。
超高频率毫米波器件采用了90nm浮空T型栅结构和有源区等离子体处理,实现了电流崩塌量4%,射频跨导崩塌10%,击穿电压80V,fT、fmax分别达到98、322GHz,fmax为目前国际上AlGaN/GaNHEMT的最高值,fmax与击穿电压乘积达到25THz·V,为目前国际上最高值。
高效率毫米波功率器件采用了凹槽刻蚀方案抑制短沟道效应降低缓冲层漏电流,有源区N20等离子体处理抑制栅极漏电流和电流崩塌,使得器件栅极漏电流降低三个数量级,关态漏电流密度降低到9.4×10-7mA/mm,电流崩塌量仅为4%,这说明了对器件有源区等离子体处理可以减小栅极漏电流、关态漏电流以及电流崩塌效应。
30GHz频率下,0.1μm栅长器件在25V工作电压下输出功率密度达到6W/mm,功率附加效率达到46.8%;在15V工作电压下功率附加效率高达59.4%,输出功率密度为4.3W/mm。输出功率密度和功率附加效率在30GHz频率时为国际报道最高值。
增强型毫米波器件采用了凹槽刻蚀的增强型器件实现方法,栅下的等离子体氧化不仅可以抑制凹槽刻蚀引起的栅极漏电流增大,还可以提高器件阈值电压。
研制出的器件实现了阈值电压0.4V,最大饱和电流密度为965mA/mm,最大震荡频率fmax达到272GHz。fmax为目前国际上AlGaN/GaN增强型HEMT的最高值。实验证明了凹槽刻蚀结合等离子体氧化是实现增强型毫米波器件的一种有效方法。