双沟道InAlN/GaN高线性HEMT器件研究

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得益于GaN材料的优异性能以及GaN基HEMT器件击穿电压高、电流密度大等优势,其在卫星通信、无线基站等通讯科技等领域得到了快速的开发与应用。功率放大器的线性度是评估整个通讯系统信号传输的质量好坏的一个关键指标,高线性器件要求跨导值在较大的栅压范围内保持在峰值上下。双沟道作为一种新型的器件结构,对于解决GaN HEMT的非线性问题有很大的潜力。然而常规双沟道器件跨导曲线可能会出现明显的双峰特征,从而影响器件的线性度。为解决这一问题,本文在双沟道器件的欧姆区域和栅下进行优化,制备出双沟道InAlN/GaN高线性HEMT器件。首先,本文介绍了GaN基材料的优势及器件的研究背景,以及近年来GaN基高线性HEMT器件的常见技术手段,接着从高线性器件结构中重点介绍了双沟道HEMT器件研究进展及在提升线性度方面的巨大潜力。此外,对Al GaN/GaN基HEMT的器件基本原理和制备工艺也进行阐述,同时解释了器件线性度基本概念及指标。随后,围绕InAlN/GaN双沟道HEMT器件的欧姆接触工艺展开研究,对欧姆接触区域势垒层进行不同深度的整体刻蚀,发现刻蚀至下沟道表面处,即刻蚀深度(HR)为23.4 nm时,跨导的双峰均为150 m S/mm,此时上下沟道对应的跨导峰值近似相等,下沟道完全开启,栅压摆幅GVS约为7 V,沟道间耦合效果最佳,跨导轮廓平坦,跨导高阶导数值相对更趋近于零值,线性度最佳。进一步,使用Silvaco仿真软件对优化后双沟道结构器件进行了基本建模,研究该结构提升线性度的机理以及满足器件在高压场合的应用需求,得出随漏极电场强度增大,仅栅极区域的沟道间势垒整体降低,导致上沟道电子更容易越过上沟道一侧势垒至下沟道。电场强度会影响沟道间的耦合,随着电场强度的增大,耦合作用逐渐增强。最终,在优化的双沟道器件结构基础上,引入栅下阵列化刻蚀结构,基于多阈值耦合原理进一步优化器件的线性度。通过对双沟道结构的栅下区域整体刻蚀不同的深度,通过对阈值电压、跨导以及小信号截止频率(f T)和最高震荡频率(fmax)等参数的测试和分析,确定最佳的刻蚀深度;进一步改变阵列化刻蚀占空比,测试并分析不同占空比下双沟道HEMT器件的直流特性以及小信号特性;最终,得到线性度最佳的双沟道栅下阵列化刻蚀结构。实验表明,当阵列化结构刻蚀至下沟道表面处(HR=23.4 nm,占空比为0.5)时,跨导曲线双峰特征基本消失,跨导曲线在较大的栅压范围内保持平坦且始终稳定在150 m S/mm的水平,栅压摆幅(GVS)约为9 V,1d B压缩点(P1d B)为19.5 d Bm。
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