论文部分内容阅读
作为第三代宽禁带半导体一个重要分支,氮化镓以其优越的频率、功率和高温特性受到人们的广泛研究。本文针对增强型AlGaN/GaN HEMT和由它构成的GaN基增强型/耗尽型数字电路进行研究。通过对增强型AlGaN/GaN HEMT研究以及制备,建立出增强型/耗尽型AlGaN/GaN HEMT等效电路模型,然后进行GaN增强型/耗尽型数字电路仿真与设计。取得的研究成果如下:在增强型AlGaN/GaN HEMT制备与研究方面,采用槽栅结构制备出阈值电压是0.8 V,跨导峰值是234 mS/mm,最大饱和输出电流是150 mA/mm的增强型HEMT,采用氟离子注入方法制备出阈值电压是0.5 V,跨导峰值是185 mS/mm,最大饱和输出电流是227 mA/mm的增强型HEMT。分析了制备增强型器件的直流特性,对比不同处理条件下制备出的HEMT,得出了较为优化的制备条件。当功率在15 W时,选择刻蚀时间介于120 s与130 s之间,刻蚀深度控制在80 nm范围内比较合适,从而可以实现阈值电压较高的增强型HEMT。氟离子注入处理的功率对于器件阈值的热稳定性影响较大。采用ICP设备处理的制备HEMT性能要好于RIE设备。应该采用大功率注入,但注入时间较短的处理方法。用ICP设备,处理条件60 W,60 s情况下可以实现阈值电压较稳定增强型HEMT。在建立增强型/耗尽型AlGaN/GaN HEMT的电路等效模型方面,选取了EEHEMT模型对论文中制备的AlGaN/GaN HEMT进行建模。采用该模型分别拟合了AlGaN/GaN E/D-mode HEMT的直流特性。通过上述的拟合与实际器件特性对比可以看出,该模型拟合的精准度基本满足后续电路设计要求。对于两种类型器件转移曲线,该模型均能较好拟合出来。对于输出曲线的拟合,D-mode HEMT存在差异主要是由于模型中输出曲线的膝点电压Vknee不随着Vgs变化,是一个固定值,但是现实中器件膝点电压Vknee近似地与Vgs呈线性关系。E-mode HEMT存在的问题主要是由于增强型HEMT的工艺更为复杂,会在一定程度上影响器件的性能,使其饱和电流比较小,偏离理想值,与模型拟合出来的结果差异较大。在GaN基增强型/耗尽型数字电路方面,主要阐述了以AlGaN/GaN HEMT构成电平转换电路设计和仿真过程,采用论文中GaN基HEMT模型,首先研究了数字电路基本单元反相器相关特性,然后对电平转换电路进行设计和仿真,确定了所使用的器件的尺寸,仿真得出的电路电压输出特性基本满足在电路设计的要求。当输入端电压VIN是低电平时,VOUT1是高电平,在0 V左右,VOUT2是低电平,在-4 V左右;当输入端电压VIN是高电平时,VOUT1是低电平,在-3.9 V左右,VOUT2是高电平,且在0 V左右。而且,两输出电压的交叉点接近-2 V左右,当VIN在低电平和高电平之间变换的时候,输出电压VOUT1和VOUT2都能够在高电平和低电平之间变换。后续还研究了HEMT阈值电压对于电平转换电路影响,增强型HEMT阈值电压对于电平转换电路影响很大。