【摘 要】
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GaN HEMTs具有寄生电容小、2DEG迁移率大、击穿电压高等优势,使其更适合用于高频、高压等领域。但是GaN HEMTs外围电路会带来较大的寄生电感,使其实际使用频率低于其理论值。全GaN单片集成技术将逻辑信号产生、驱动控制、功率变换、监测与保护等模块进行单片集成,能够最大限度降低芯片互联产生的寄生效应,充分发挥GaN HEMTs高频、高效的核心性能优势。由于缺乏成熟的GaN P-HFETs,
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GaN HEMTs具有寄生电容小、2DEG迁移率大、击穿电压高等优势,使其更适合用于高频、高压等领域。但是GaN HEMTs外围电路会带来较大的寄生电感,使其实际使用频率低于其理论值。全GaN单片集成技术将逻辑信号产生、驱动控制、功率变换、监测与保护等模块进行单片集成,能够最大限度降低芯片互联产生的寄生效应,充分发挥GaN HEMTs高频、高效的核心性能优势。由于缺乏成熟的GaN P-HFETs,目前全GaN单片集成只能依赖于N-HEMTs,导致电路设计难度大、静态功耗高、功能不完善,这严重限制了GaN IC的发展与应用。实现高性能P-HFETs不仅能够简化GaN IC设计,还能提高GaN IC性能。针对上述问题,本文重点研究了具有高电流能力的凹槽栅增强型GaN P-HFETs,主要研究内容如下:1、在P-GaN/AlGaN异质结上实现高电流密度的增强型GaN P-HFETs。（1）基于TCAD Sentaurus仿真,优化GaN P-HFETs AlGaN层厚度和Al组分,实现了5.8e1012 cm-2的2DHG;此外,利用凹槽栅结构实现增强型,通过优化凹槽栅和栅介质层厚度,优化器件的阈值电压和电流能力。AlGaN层厚度和Al组分分别为18nm和0.25、凹槽栅厚度为10 nm、栅介质层为20 nm时,器件的阈值电压和导通电流分别为-0.78 V和4.44 m A/mm。（2）提出了一种利用F离子处理的凹槽栅增强型GaN P-HFETs,提高了器件的电流能力。利用F离子处理GaN P-HFETs的顶层GaN和AlGaN势垒层,利用氟离子的强电负性,能够调节GaN层和P-GaN/AlGaN界面的能带结构,提高器件的空穴浓度和电流能力。当GaN和AlGaN中氟离子浓度分别为2.6e18 cm-3和2.0e18 cm-3,器件的导通电流分别为11.48 m A/mm和7.2m A/mm,阈值电压分别为-1 V和-0.52 V。（3）提出了一种基于渐变Al组分AlGaN势垒层的凹槽栅增强型GaN P-HFETs。通过优化渐变Al组分AlGaN层中的Al组分,能提高2DHG浓度和器件的电流能力,当AlGaN层的Al组分x2、x1和x分别为0.15、0.20和0.25时,器件的导通电流为6.46 m A/mm,阈值电压为-0.56V。2、基于F离子处理和渐变Al组分AlGaN势垒层的GaN P-HFETs的GaN CMOS的设计。将设计的利用F离子处理和渐变Al组分AlGaN势垒层的增强型GaN P-HFET与P-GaN栅增强型N-HEMT集成为CMOS,优化GaN P-HFET器件宽度（Wp）,从而优化GaN CMOS性能。当GaN P-HFET器件的宽度是N-HEMT的10倍时,CMOS的开关阈值约为2.5 V,输出信号能实现轨道的输出。
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