科研訓練總結(jié)guoxing

1、西 安 郵 電 學 院科研訓練題 目： GaN HEMT器件特性學 院： 電子工程學院 系 部： 微電子學系 專 業(yè)： 微電子 班 級： 微電子0802班 學生姓名： 郭杏 (25 導師姓名： 陳海峰 職稱： 講師 起止時間：西 安 郵 電 學 院科研訓練(論文任務(wù)書學生姓名指導教師陳海峰職稱講師學院電子工程學院系部微電子系專業(yè)微電子題目GaN HEMT器件特性任務(wù)與要求本題目應(yīng)完成的工作，題目預(yù)期目標1、對GaN材料的特性研究2、對HEMT的工作原理及IV特性的研究3、Ga'N HEMT的小信號參數(shù)提取4、GaNHEMT大信號模型參數(shù)提取概述西 安 郵 電 學 院科研訓練 (論文 工

2、 作 計 劃學生姓名指導教師陳海峰職稱講師學院電子工程學院系部微電子專業(yè)微電子題目GaN HEMT器件特性分析工作進程起 止 時 間工 作 內(nèi) 容2011.09.252011.10.10對GaN材料的特性研究2011.10.202011.10.30對HEMT的工作原理及IV特性的研究2011.11.012011.11.10Ga'N HEMT的小信號參數(shù)提取2011.11.152011.11.30GaNHEMT大信號模型參數(shù)提取概述2011.12.012011.12.08總結(jié)部分主要參考書目（資料）將搜索的資料進行分類整理并且篩選整合，才使得本課題得以順利行檢索工具西安郵電學院圖書館中文

3、數(shù)據(jù)庫、百度搜索引擎檢索材料圖書館相關(guān)書籍主要儀器設(shè)備及材料由于受到各種條件的限制以及考慮到題目的特殊性，本次科研訓練不曾使用儀器。1 本課題所涉及的問題及應(yīng)用現(xiàn)狀綜述在不同的偏置條件下，結(jié)合具體的數(shù)據(jù)，對非本征參數(shù)進行了準確提取并進行曲線擬合，測試結(jié)果表明這種方法是可靠的；又針對模型的S參利用寄生參數(shù)剝離的方法，求出模型本征Y參數(shù)，提取出本征參數(shù)。同樣，理論曲線與測試曲線擬合的結(jié)果吻合度較好，顯示提取方法可靠。2 本課題需要重點研究的關(guān)鍵問題、解決的思路及實現(xiàn)預(yù)期目標的可行性分析HEMT IV特性及跨導的分析，在這個部分牽扯到的數(shù)學計算比較多，公式推導比較麻煩，不過這個問題在同學的幫助下得以

4、迎刃而解。p 3完成本課題的工作方案第一階段：對GaN材料的特性研究第二階段：對HEMT的工作原理及IV特性的研究第三階段：Ga'N HEMT的小信號參數(shù)提取第四階段：GaNHEMT大信號模型參數(shù)提取概述第五階段：總結(jié)部分p 4指導教師審閱意見指導教師(簽字： 年 月 日題目 GaN HEMT器件特性摘要化合物半導體高電子遷移率晶體管等效電路建模是微波電路領(lǐng)域的一個重要課題，模型的精確度直接決定仿真結(jié)果的可信度。隨著無線通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，寬禁帶半導體材料GaN作為第三代半導體材料以其優(yōu)異的電學特性使得GaN HEMT(Hi曲E1ec的nM0bilityTrallsistor一高電子遷

5、移率晶體管建模成為研究熱點。引言在半導體的發(fā)展歷史上，二十世紀90年代之前，以硅(包括鍺材料為主元素的第一代的半導體材料占統(tǒng)治地位。Si作為第一代半導體材料，開創(chuàng)了半導體的歷史，隨著Si工藝的發(fā)展，Si超大規(guī)模集成電路早已投入使用。但隨著信息時代的來臨，當人們對信息的存儲、傳輸及處理的要求也越來越高時，以砷化鎵(GaAs為代表的第二代化合物半導體材料顯示了其巨大的優(yōu)越 性。與Si等傳統(tǒng)的半導體材料相比，第二代半導體材料化合物半導體有更多優(yōu)良的性質(zhì)，如低電場下的高電子漂移速度和高遷移率，使得以GaAs為代表的半導體材料做成的器件在工作速度和頻率上更具研究和應(yīng)用價值，GaAs作為化合物半導體材料的

6、代表，已被廣泛應(yīng)用于低噪聲放大器及功率放大器。隨著通信技術(shù)的不斷進步，GaAs材料方面的不足也逐漸顯現(xiàn)出來，而以氮化物(包括SiC、ZnO等寬禁帶半導體為第三代半導體材料，由于其優(yōu)越的特征正在成為最重要的半導體材料之一。其中氮化鎵是最早被利用的、研究得最充分的第三代半導體材料。很強的鍵強度，決定了它的材料強度大，耐高溫，耐缺陷，不易退化，在器件應(yīng)用上有很多的優(yōu)點。與GaAs相比，GaN具有擊穿電場高，熱導率高、介電常數(shù)小、禁帶寬度大、電子飽和速度大、化學性質(zhì)穩(wěn)定、抗輻射能力強等等優(yōu)點，是制作高溫、大功率、高頻電子器件的理想材料。微波半導體器件是基于軍用固態(tài)器件的要求，器件更加小型化、高可靠性、

7、低成本、寬頻帶、大功率等而研發(fā)出來的，GaN器件正好符合這些要求。GaN應(yīng)用比較廣泛的是GaNHEMT(Hi曲E1ec仃on MobilityTransistor一高電子遷移率晶體管，其具有寬禁帶、二維電子氣濃度大、跨導大、截止頻率高、噪聲低和開關(guān)速度快等特點，比其它材料更加適合做功率放大器。隨著分子束外延及MOCvD 技術(shù)的發(fā)展，以及退火、腐蝕和刻蝕技術(shù)的發(fā)展，高電子遷移率晶體管、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管、金屬絕緣場效應(yīng)晶體管等GaN異質(zhì)結(jié)應(yīng)運而生。 因此，GaN器件具有更加廣闊的應(yīng)用前景及研究價值。 GaN基電子器件在高頻和高功率條件下具有比硅和GaAs更為出色的工作性能，決定了其在功放器件市場

8、的競爭能力。隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，作為通信基站關(guān)鍵器件的功放器件功率晶體管的市場規(guī)模日益擴大。2001年全世界通信基站用功率晶體管的市場規(guī)模已經(jīng)超過6億美元。分析人士認為，未來幾年這一市場將繼續(xù)保持年均20以上的高速增長，因此進入這一市場的GaN制造商也十分踴躍。 1. 正文GaN材料的特性 GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與SiC、金剛石等半導體材料一起被譽為是繼第一代Ge，Si半導體材料、第二代GaAs、111P化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、較好的化學穩(wěn)定性(

9、幾乎不被任何酸腐蝕、強的抗輻照能力等優(yōu)點，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。 GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700，GaN 具有高的電離度(05，在IIIV族化合物中是最高的。在大氣壓力下，GaN晶體 一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它在一個晶胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的 一半。因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料。 212 GaN的化學特性 在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解。NaOH、H2S04和H3P04能較快地腐蝕質(zhì)量差的GaN，可用于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCl氣氛中

10、高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2氣下最為穩(wěn)定。 213 GaN的電學特性 GaN的電學特性是影響器件的主要因素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型，最好的樣品的電子濃度約為4x1016cm3。一般情況下所制備的p型樣品，都是高補償?shù)?。很多研究小組都從事過這方面的研究工作，其中中村報道了GaN最高遷移率 215 GaN材料生長 由于GaN晶體在其熔點處具有極高的氮蒸汽壓，所以無法使用傳統(tǒng)的生長方法，如拉單晶法和區(qū)熔法來制備GaN體晶材料。雖然GaN體晶生長方法(高氮壓熔法或AMMONo法一直得到了研究支持，但是到目前為止體晶生長方法仍然存在大量的關(guān)鍵技術(shù)問題尚未解決，還無法進行實用化推廣。因此

11、，GaN晶體薄膜異質(zhì)外延生長一直是獲得GaN晶體材料、各種III族氮化物材料、異質(zhì)結(jié)和量子阱等材料結(jié)構(gòu)的主要方法。 HEMT（High Electron Mobility Transistor），高電子遷移率晶體管：這是一種異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，又稱為調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（MODFET）、二維電子氣場效應(yīng)晶體管（2-DEGFET）、選擇摻雜異質(zhì)結(jié)晶體管 (SDHT等。這種器件及其集成電路都能夠工作于超高頻（毫米波）、超高速領(lǐng)域，原因就在于它是利用具有很高遷（1）FET-IC實現(xiàn)超高頻、超高速的困難 因為一般的場效應(yīng)集成電路為了達到超高頻、超高速，必須要減短信號傳輸?shù)难舆t時間d CL/(nVm和減

12、小器件的開關(guān)能量(使IC不致因發(fā)熱而損壞E = ( Pd d CLVm2/2，而這些要求在對邏輯電壓擺幅Vm的選取上是矛盾的，因此難以實現(xiàn)超高頻、超高速；解決的一個辦法就是，首先適當降低邏輯電壓擺幅, 以適應(yīng)IC穩(wěn)定工作的需要，而要縮短d 則主要是著眼于提高電子的遷移率n，這就發(fā)展出了HEMT。 （2）HEMT的工作原理：HEMT的基本結(jié)構(gòu)就是一個調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)。高遷移率的二維電子氣（2-DEG）存在于調(diào)制摻雜的異質(zhì)結(jié)中，這種2-DEG不僅遷移率很高，而且在極低溫度下也不“凍結(jié)”，則HEMT有很好的低溫性能, 可用于低溫研究工作 (如分數(shù)量子Hall效應(yīng) 中。 HEMT是電壓控制器件，柵極電壓

13、Vg可控制異質(zhì)結(jié)勢阱的深度，則可控制勢阱中2-DEG的面密度，從而控制著器件的工作電流。對于GaAs體系的HEMT，通常其中的n-AlxGa1-xAs控制層應(yīng)該是耗盡的 (厚度一般為數(shù)百nm, 摻雜濃度為107108 /cm3。若n-AlxGa1-xAs層厚度較大、摻雜濃度又高，則在Vg =0 時就存在有2-DEG, 為耗盡型器件，反之則為增強型器件( Vg=0時Schottky耗盡層即延伸到i-GaAs層內(nèi)部；但該層如果厚度過大、摻雜濃度過高, 則工作時就不能耗盡, 而且還將出現(xiàn)與S-D并聯(lián)的漏電電阻?？傊瑢τ贖EMT，主要是要控制好寬禁帶半導體層控制層的摻雜濃度和厚度，特別是厚度。 在考

14、慮HEMT中的2-DEG面密度Ns 時，通常只需要考慮異質(zhì)結(jié)勢阱中的兩個二維子能帶( i = 0和1 即可。2-DEG面電荷密度Ns將受到柵極電壓Vg的控制。 （3）HEMT的I-V特性和跨導：對于長溝道HEMT，其中電子的漂移速度vd不飽和，而且與溝道電場E(y有關(guān)，即有 vd= E(y 。則通過寬度是W的溝道的電流為IDS = q W Ns(y E(y= W0 / (d +d ·VgsVTV(y·(dV(y/dy， 從源端積分到漏端( y = 0L , 就得到HEMT的I-V特性：Ids = (W/L o/(d +d ·(VgsVTVds(Vds2/2. 相應(yīng)

15、地可求出HEMT的跨導為gm = (W/L 0 / (d +d Vds Vds 。 當Vds增加到Vdsat = VgsVT 時, 溝道夾斷, 即得到飽和電流：Idsat = (W/L 0 / 2(d +d (VgsVT2 , 飽和時的跨導則為 gm sat = (W/L 0 / (d +d (VgsVT 。 對于短溝道（L 1m）的HEMT，漂移速度將飽和為vS，則飽和電流為 IDSat = q Ns0 vS W = vS W 0 / (d +d (VgsVT (VgsVT；并且飽和跨導與電壓無關(guān)： gm sat = vS W 0 / (d +d 。實際上, 對很短溝道的HEMT, 往往是高

16、得多的瞬態(tài)漂移速度起著決定作用，從而有更高的飽和電流和飽和跨導。 （4）高極性半導體調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)的HEMT：對于極性很大的半導體異質(zhì)結(jié)，那么情況將有所不同。譬如n+-AlGaN/i-GaN調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)，由于其中的高遷移率2-DEG主要是由極化效應(yīng)而產(chǎn)生出來的，因此，即使在AlGaN控制層中不摻雜，也能夠得到大量的2-DEG（可高達1013cm），這時的2-DEG面密度將主要決定于極化效應(yīng)的強度。1HEMT工作原理和金屬半導體場效應(yīng)晶體管(MESFET相似，主要區(qū)別在于HEMT導電溝道不摻雜，故載流子不會受到雜質(zhì)散射，因而具有更高的電子遷移率，因此HEMT在功率應(yīng)用方面具有高功率增益和高效率

17、的特性，器件模型是對器件進行深入研究的基礎(chǔ)，一個精確的模型是后續(xù)研究必須的條件。為此，國內(nèi)外研究人員對GaNHEMT物理機理進行了深入分析，并在逐步完善其等效電路參數(shù)模型。A1GaNGaN HEMT功率放大器研究涉及到材料、器件和電路。器件材料方面AlGaNGaN HEMT襯底材料已經(jīng)采用熱導率更高的SiC，器件結(jié)構(gòu)方面 AlGaNGaN HEMT場板的研究已經(jīng)比較成熟，耐壓結(jié)構(gòu)的研究成為熱點。電路設(shè)計方面各種匹配網(wǎng)絡(luò)和各種類型的功率放大器研究結(jié)果表明創(chuàng)GaNGaN HEMT 應(yīng)用范圍在逐漸拓寬，電路產(chǎn)品方面A1GaNGaN HEMT功率放大器正在逐步從 分立電路向集成電路發(fā)展。 新近發(fā)現(xiàn)有公

18、司研發(fā)出一種新的AlGaNGaN HEMT器件結(jié)構(gòu)。器件結(jié)構(gòu)采用AlGaN作為器件的緩沖層，其上是GaN溝道層。溝道層上是雙層A1GaN隔離層，其中下層A1GaN的鋁組分與A1GaN緩沖層的鋁組分接近，而上層舢GaN的鋁組分更高。兩個歐姆接觸分別形成器件的源極和漏極。在源極和漏極之間用干法刻蝕將最上一層高鋁組分砧GaN層刻蝕出槽，金屬沉積在刻槽中形成柵極?？滩巯碌腁1GaN層因為極化電場不強，無法在溝道中誘導出二維電子氣。溝道在此處被夾斷，形成增強型場效應(yīng)晶體管，或稱為常關(guān)器件。 自發(fā)極化是指晶體沒有應(yīng)變時已存在內(nèi)建極化電場，該電場源于晶體晶格不對稱，形成共價鍵原子之間電負性不同，使得電子云偏

19、向其中一個原子，表現(xiàn)為在晶體兩表面分別出現(xiàn)凈的正、負電荷。壓電極化指晶格由于應(yīng)力作用而形變時產(chǎn)生一極化電場。HEMT器件是耗盡型的還是增強型，取決于A1GaN層的厚 度。Ga'N HEMT的小信號參數(shù)提取 提取小信號等效電路的方法有兩種： 第一種：直接提取法。 即在電路拓撲結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上同時提取多個參數(shù)，通過計算把各個元件值帶入轉(zhuǎn)化為最終的S參數(shù)值與測試的S參數(shù)值進行比較，得到最優(yōu)的參數(shù)值17】f18】【191。直接提取的優(yōu)點是理論精度較高，避免外部參數(shù)測試數(shù)據(jù)與整體參數(shù)測試數(shù)據(jù)的不匹配，參數(shù)提取一次完成，具有很高的可靠性，直接提取的缺點是難度很大，隨著參數(shù)增多，即使用全局優(yōu)化法也難以準確

20、找到全局最優(yōu)值，因此直接提取法很 費時間。 第二種：分步提取法。 第一步是提取非本征參數(shù)，非本征參數(shù)不隨外界偏壓變化，故可在確定的偏置條件下，對寄生參數(shù)進行準確提取；第二步是提取本征參數(shù)此步是在寄生提取的基礎(chǔ)上，將寄生提取值作為已知條件，對本征參數(shù)進行提取。這種方法的優(yōu)點是運算量小，容易實現(xiàn)，提取結(jié)果的準確性也大大增加。 經(jīng)過分析，根據(jù)現(xiàn)有實驗室條件，綜合利弊，本文采用冷場法，即在V出=0，V囂<、，血下，從外到內(nèi)的順序，先提取寄生電容，再提取寄生電感，最后提取電阻.在Vds=O，V。 下， HEMT 處于截止態(tài)，本征部分沒有電流流過，故提取寄生參數(shù)時候，可以忽略本征電路。 參數(shù)變換 網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的S參數(shù)包含寄生元件與本證元件的影響，提取本征電路元件參數(shù)，需去除寄生元件的影響。將測得的一定偏壓下的S參數(shù)進行Y、Z參數(shù)變換，逐層剝離寄生參數(shù)，并最終得到本征Y參。即：進行S、Y參數(shù)轉(zhuǎn)換，去除C印、Cdp的影響；進行Y、Z參數(shù)轉(zhuǎn)換，去除k、Ld、Ls的影響；進行Z、Y參數(shù)轉(zhuǎn)換，去除C鰣、Cdsi的影響；進行Y、Z參數(shù)轉(zhuǎn)換，去除如、凡、R。的影響；最后將余下的Z參數(shù)轉(zhuǎn)換為Y參數(shù)，得到本征Y參。 GaNHEMT大