浅析GaN基新型结构HEMT器件

姜 文 海

（南京电子器件研究所 江苏 南京 ２１００１６）

摘 要：近些年来，随着时代经济的飞速发展以及科技的进步，ＧａＮ材料不仅仅有着较高的饱和电子迁移速度，同时也有着较高的击穿场强。对于ＧａＮ基的ＨＥＭＴ器件而言，是实现毫米波功率器件的一种重要选择。分析ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件时，首先对ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件的发展历程进行回顾，其次对ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件的设计原理做了具体的分析，最后探讨了ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件的基本结构。

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关键词 ：ＧａＮ基；ＨＥＭＴ器件；毫米波

中图分类号：TN386.6 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．15．０40

收稿日期：２０１5－07－16

对于当前的ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件而言，由于存在极化效应所产生的较强的二维电子气，在应用中可使工作效率、工作频率全面提高。虽然通过有效减少栅长可使工作频率进一步增加，但也会使栅下的横向电场不断增大，导致载流子难以达到饱和电子漂移速度。而栅长减少到一定程度，同样也引起一定的短沟道效应，对于器件的高频性能有着直接性的影响。本着短沟道效应抑制和导通电阻减小的目的，对ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件做了具体的分析和讨论。

１ ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件发展历程

２１世纪的今天，无线通讯和雷达以及航天等领域的发展中，对于半导体器件的性能有着越来越高的要求。而ＧａＮ基高电子迁移率晶体管，逐渐体现出其他晶体管所不具备的优势。

ＧａＮ相对而言，饱和迁移率较高，同时击穿场强相对较强，在２０１１年，ＧａＮ ＨＥＭＴ耗尽型器件的截止频率已达到２７０ＧＨｚ。此外，ＧａＮ ＨＥＭＴ增强型器件，同样也有着较高的截止频率，为１１２ＧＨｚ，如图１所示。

对于增强型的器件而言，在电路的简化设计中，主要是在高速数模电路中有着广泛的应用。

2 ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件的设计原理

短沟道效应的本质在于栅长减小时栅对沟道载流子的控制变弱，抑制短沟道效应的关键在于增强栅控能力。通行的做法有两个：一是减薄势垒层厚度从而减小栅与沟道间距；二是增强对２ＤＥＧ的沟道约束。导通电阻的问题也比较复杂。

导通电阻对于频率特性影响极大。增加沟道中２ＤＥＧ浓度既可以减小外延材料的方块电阻，从而减小源漏极与栅之间的电阻，又可以增大欧姆接触隧穿电流，减小欧姆接触电阻。

3 ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件材料的结构

３．１ 短沟道效应的抑制

对短沟道效应进行抑制的一种有效方法是，通过将势垒层的厚度逐渐减薄，并结合ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件背势垒结构中，如图２所示。

势垒层的厚度减薄过程中，通过做好短沟道效应的根本抑制，将栅下势垒层逐渐减薄，并保证源漏区处于不变的状态，只减薄栅下势垒层，源漏区保持不变，也就是通常的栅凹槽结构。采用薄势垒就能产生高２ＤＥＧ浓度的新型势垒层材料，比如ＩｎＡＩＮ，ＡＩＮ等。带有背势垒结构的器件性能好于普通结构，但是，由于ＡＩＧａＮ和ＡＩＮ与作为沟道的ＧａＮ晶格不匹配，产生的应变和新的极化场会导致２ＤＥＧ浓度的降低，进而导致导通电阻变大。

３．２ 导通电阻的减小

导通电阻不仅仅是存在于漏源极和栅之间的一种电阻，同时也存在欧姆接触电阻，在将源漏极和栅之间电阻不断减少过程中，结合一种常规的思路，将沟道中的２ＤＥＧ浓度显著增加，并将外延材料的方块电阻全面降低。对传统的ＧａＮ材料而言，其自发极化强度相对较强，其薄势垒相对而言，产生的２ＤＥＧ浓度相对较高，同时也将导通电阻有效降低。这种材料晶格处于相对较好的匹配状态中，同样也将器件可靠性显著提高。对于目前国际上的毫米波ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件而言，通过将欧姆接触电阻不断降低，再结合材料的性质，将器件接触区域的载流子浓度显著增加，进而实现遂穿电流的显著性增大，这种器件接触区域的不断增加中，其中的载流子浓度就要将沟道２ＤＥＧ的浓度显著增强，注重沟道２ＤＥＧ浓度的显著增加，结合ｎ型重掺杂过程，将欧姆接触电阻全面降低，往往有着相对复杂的工艺过程。

基于ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件而言，在ＧａＮ层面上，对欧姆接触进行移植，并保证电子亲和势有着一定的强度，并在势垒高度不断上升过程中，将欧姆接触制作的难度逐渐增大，这种欧姆接触过程中，将欧姆接触电阻数量级逐渐降低，实现ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件频率的一种特殊性改善。

4 结语

总而言之，ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件相对而言，有着相对特殊的毫米波大功率特点，应用前景相对而言比较广阔，在栅长逐渐缩小中，注重器件频率的全面提高，在小栅长中ＧａＮ基新型结构ＨＥＭＴ器件短沟道效应克服中，注重源漏间导通电阻的有效减少。在借助于相对较高２ＤＥＧ浓度的一种新型势垒层材料，将导通电阻有效减低，栅控制能力提高中，就要采取凹槽栅结构，将结构的操作性显著增强，进而将器件的频率全面提高。

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（责任编辑 晓 天）