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[学位]

GaN HEMT的制作和特殊栅结构对其性能的影响

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Author:

张思齐 (张思齐.)

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学位论文库

Abstract:

GaN基高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors ,HEMT)以其高热导率,耐腐蚀性,抗辐射性能和其在高压,高频,高温,大功率,高辐射环境下超强的优势成为了射频微波,电力电子等领域的重要研究对象。与GaAs基的HEMT器件相比,虽然GaN材料的电子迁移率µ低于GaAs材料,但是AlGaN/GaN异质结形成的二维电子气密度是InAlAs/InGaAs和AlGaAs/GaAs的三到十倍。与此同时,AlGaN/GaN HEMT的电子饱和速度也远高于AlGaAs/GaAs HEMT的电子饱和速度。这些GaN基HEMT器件的优良性质,很好地弥补了前两代Si和GaAs等半导体材料本身固有的缺点,从而成为了飞速发展领域的研究热点。
目前,GaN基HEMT器件在基础理论,材料缺陷,器件结构,器件性能和可靠性等方面仍然有不少难题亟需解决。例如电流崩塌效应,器件常开态,栅极漏电流,跨导线性度,跨导值和源漏饱和电流远小于理论极限值的问题等。所以近些年来很多研究专家从半导体材料的选择,材料的生长,外延片结构的设计,器件结构的设计等角度来改善GaN基HEMT的性能。
本文从器件结构设计的角度出发,采用特殊栅状电极,有效地改善了GaN HEMT常开态,源漏电流,跨导值等问题。在制作特殊栅状GaN HEMT器件之前,我们首先对常规栅电极器件的工艺流程进行了优化,并以此为基础,制作了环形栅以及纳米孔状栅结构。并通过三种栅电极器件之间测试结果的对比,分析了特殊栅电极的优势。
主要研究内容及结论具体如下:
(1)传统GaN HEMT制作工艺流程主要可以被分为三个部分:第一个部分是ICP刻蚀(电感耦合等离子体)隔离GaN HEMT有源区,第二个部分是GaN HEMT源漏区欧姆电极的制作,最后一个部分是GaN HEMT栅极区肖特基电极的制作。我们通过调整和优化一系列工艺成功制作了传统的GaN HEMT。
(2)在掌握了传统GaN HEMT器件的制作工艺且借鉴了相关文献的基础上,我们重新设计了环形栅GaN HEMT的电极图形。因为环形栅在电极图形设计上的先天优势,我们省去了制作工艺流程中ICP隔离有源区的步骤,也避免了ICP刻蚀为GaN HEMT器件引入的刻蚀损伤。另外由于环形栅相较于条状栅本身的几何图形特点,在同样工艺条件限制下,环状栅能够获取相较于条状栅更大的栅宽栅长比值(Wg/Lg)。所以最终环形栅GaN HEMT的最大饱和源漏电流值是条状栅GaN HEMT的三倍之多,环形栅GaN HEMT的最大跨导值也将近是条状栅GaN HEMT的三倍。
(3)在成功制作环形栅GaN HEMT器件之后,我们以环形栅GaN HEMT为基础,设计制作了纳米孔状栅GaN HEMT器件。相对于传统栅状结构和其它特殊栅状结构,纳米孔状栅大幅度提高了栅极电极的接触面积,并且改善了栅电极对GaN HEMT器件的控制能力。实验结果标明,纳米孔状栅GaN HEMT器件相对于普通环形栅GaN HEMT器件使开启电压正向移动了5V,并且获得了高于普通环形栅GaN HEMT器件15%的最大跨导值和低于普通环状栅GaN HEMT器件20%的亚阈值摆幅值。

Keyword:

GaN HEMT* 环形栅 开启电压 纳米孔状栅 源漏电流和跨导值

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学电子与信息工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学硕士

Mentor: 侯洵

Year: 2017

Language: Chinese

Cited Count:

WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 13

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