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C波段0.75mm AlGaNGaN功率器件


第 26 卷   9 期 第 2005 年 9 月

半        导 体 学 报
C H IN ESE J OU RNAL O F SEMICONDUC TORS

Vol. 26   . 9 No Sep . ,2005

1  引言

件的功率特性 ,4 GHz 下 , V ds = 25V , V gs = - 21 5V , 10 × μm × 1 8 m 输出功率为 321 52dBm , 输出功 75 0 μ 率密度达到 21 4W/ mm ,功率增益为 13dB. 此外 , 采
  2005201211 收到 ,2005203216 定稿

近几年来 ,国内也在开展 Al GaN/ GaN H EM T μ 的研究[ 3~6 ] ,单指型 200 m 器件输出功率 11 8 GHz 下为 281 93dBm , 功率密度为 31 9W/ mm [ 6 ] . 本文报 道了基于国产蓝宝石衬底 Al GaN/ GaN 的多指型器

化合物 半 导 体 材 料 , GaN 具 有 较 宽 的 禁 带 宽 度 ( 31 4eV ) ,很强的击穿场强 ( 3 ×106 V/ cm ) , 较高的 电子饱和漂移速率 ( 2 × 7 cm/ s) , 以及良好的热稳 10
160 GHz ,蓝宝石衬底 f T 大于 110 GHz.

定性 . 鉴于 GaN 器件在高频 、 高功率 、 低噪声 、 纳米 器件方面所显示出的强大优势 , 在国防以及民用通 信、 卫星领域有着重要的应用前景 ,在国外已经成为 研究 重 点 和 热 点 . 目 前 国 际 上 报 道 GaN 单 指 H EM Ts 器 件 10 GHz 下 连 续 波 功 率 密 度 可 达 101 7W/ mm , PA E 约 为 40 %[ 1 ] , 在 20 GHz 下 , μ 01 3 m 器 件 CW 测 试 功 率 密 度 可 达 到 3W/ mm , PA E 为 221 5 %[ 2 ] . SiC 衬底 GaN 单指器件 f T 大于

  陈晓娟   ,1979 年出生 ,硕士研究生 ,从事化合物半导体器件与电路研究 . 女   刘新宇   ,1973 年出生 ,研究员 ,从事化合物半导体器件与电路研究 . 男

3 国家重点基础研究发展规划 ( 批准号 :2002CB311903) 及中国科学院创新 ( 批准号 : KGCX22SW2107) 资助项目

摘要 : 研制并测试了以蓝宝石作衬底的 10 × μm × 1 8 m Al GaN/ GaN 微波器件 ,采用等离子增强气相化学沉积的 75 0 μ 方法生长了 250nm 的 Si3 N4 形成钝化层 ,直流特性从 01 56A/ mm 上升到 01 66A/ mm ,跨导从 158mS/ mm 增为 170mS/
11 79W ,输出功率密度达到 21 4W/ mm. 钝化有效地改善了器件的输出特性 ,减小和消除了表面寄生栅对器件的影响 .

关键词 : Al GaN/ GaN H EM T ; 微波输出功率 ; Si3 N 4 ; 钝化
EEACC : 4130

中图分类号 : TN814 + 1 7     文献标识码 : A     文章编号 : 025324177 ( 2005) 0921804204

Al GaN/ GaN 是国际上广泛关注的新型宽禁带

mm ,截止频率由 101 7 GHz 增大到 131 7 GHz , 同时在 4 GHz 下 , V ds = 25V , V gs = - 21 5V , 输出功率由 01 90W 增至

C 波段 01 75mm Al G N/ G N 功率器件 3 a a
陈晓娟  刘新宇  和致经    建   刘 吴德馨
( 中国科学院微电子研究所 , 北京   100029)

2  器件结构与工艺

50mm Al GaN/ GaN 外延材料 , 材料采用金属有机 物化学气相淀积技术 ( MOCVD ) 制备 , 衬底为蓝宝

电子 气 的 浓 度 为 11 3 × 1013 cm - 2 , 迁 移 率 为 1120cm2 / ( V ? ) . s Al GaN/ GaN H F E T 工艺流程为 : ( 1 ) 器件隔离 使用 ICP 干法刻蚀实现 ,测试结果显示岛间电流仅 仅有 p A 量级 ; ( 2 ) 欧 姆接 触采 用的 是 Ti/ Al/ Ti/ Au ,在 780 ℃ 下进行快速 50s 热退火 ( R TA ) , 实现 - 6 了约 10 Ω ?cm2 的低接触电阻 ; ( 3 ) 栅金属采用
Ni/ A u , 使 用 卡 尔 休 斯 MA6 光 刻 机 , 栅 长 为
ν 2005 中国电子学会

μ 石 . 材料结构由下至上分别为 31 5 m 的 GaN 缓冲 层 ,110nm 的高迁移率 GaN 层 ,23nm 的不掺杂 Al2 GaN 层 ,Al 组分为 20 %. 霍尔测量得出室温下二维

用等离子增强气相化学沉积 ( P ECVD ) 的方法生长 了 250nm 的 Si3 N 4 , 表面钝化大大提高了 Al GaN/ GaN 的器件特性 , 并且提高了器件的可靠性 . 本文 就多指型 10 × μm × 1 8 m Al GaN/ GaN H EM T 75 0 μ 器件钝化前后的性能进行全面对比与分析 , 并进一 步阐述了钝化对器件的影响机理 . 本文采用中国科学院半导体所和物理所提供的

第9期

件的引线电阻同时增大正面散热面积 , 整个器件的 μ 布线使用电镀工艺将布线金属加厚至 21 5 m , 并使
图 1  GaN/ Al GaN 外延结构图

用新的电镀空气桥实现源区的连接 , 减小栅源寄生 电容 ; ( 5 ) 最 后 , 采 用 等 离 子 增 强 气 相 化 学 沉 积 ( P ECVD) 的方法生长了 250nm 的 Si3 N 4 形成钝化 层 . 在生长 Si3 N 4 时 , 对介质层的应力严格控制 , 本 实验采用了低张应力的 Si3 N 4 作为钝化膜 , 取得了 较好的结果 .

3  结果与讨论

采用 hp4155 仪器测试了器件的直流特性 ,图 2 示出 ,钝化前后器件饱和漏电流从 01 56A/ mm 提高 到 01 66A/ mm , 增加了近 20 % , 膝点电压为 31 8V , 截止电压为 - 4V . 器件的传输特性中最大跨导也从
μ Fig. 2   I2V characteristics of 750 m gate widt h Al2
GaN/ GaN H EM T
图 2   μm Al GaN/ GaN H EM T I2V 特性 750

钝化前的 158mS/ mm 增加为 170mS/ mm. 器件表 面进行 Si3 N 4 钝化后 , 有效降低了表面陷阱及负电 荷的密度 ,改善了表面缺陷能级对电子的俘获 ,从而 降低了沟道的快速耗尽 ,增加了二维电子气的浓度 , 使得器件跨导提高 ,饱和电流增大[ 7 ] .

μ 01 8 m ; ( 4) 为了使走线能够承受大电流 , 并降低器
Fig. 1  Schematic st rct ure of t he Al GaN/ GaN H FET

陈晓娟等 :   波段 01 75mm Al GaN/ GaN 功率器件 C

1805

功率输出 .

容 ,与栅电容并联导致频率特性的下降 . 钝化层的引 入有效抑制了栅漏间表面缺陷对电子的俘获 , 栅漏 间表面寄生栅的去除 ,使得器件的有效栅长缩短 ,栅 电容减小 , 微波特性得到明显改善 . 利用负载牵引 load2p ull 系统测试器件功率特性如图 5 所示 , 采用 了 AB 类工作方式 ,在 4 GHz 下 , 钝化前 V ds = 30V , V gs = - 21 5V , 输出功率为 291 54dBm , 线性功率增 益为 101 54dB ,钝化后 ,测试条件为 V ds = 25V ,V gs = - 21 5V ,输出功率增加到 321 52dBm ,线性功率增益 121 92dB. 1dB 压缩点向大信号方向漂移 , 更有利于
图3  肖特基栅特性

移使得肖特基的势垒高度降低 . 图 4 示出了器件的 正向电流增益 ( h21 ) 测试结果 ,在 V ds = 10V ,V gs = 2V ,器件的截止频率从钝化前的 101 7 GHz 增加到 131 7 GHz. 这主要是由于寄生栅在栅源之间形成电
Fig. 3  Gate diode I2V characteristics of H EM T
图4  正向电流增益 ( h21 )

图 3 示出了栅电流随栅压的变化图 , 可以看出 钝化后肖特基势垒略微下降 . 这是因为钝化后 ,Al2
GaN 层费米能级 Ef 向导带漂移 1eV [ 8 ] ,正是这种漂
Fig. 4  Forward current gain ( h21 )

1806

半        导 体 学 报

第 26 卷

速耗尽 ,提高了二维电子气的浓度 ,使得饱和电流输 出和最大跨导得以提高 . 同时 ,表面钝化还降低了表 面态密度 ,降低了寄生栅的影响 ,从而大大提高了微 波 和 功 率 特 性 . 直 流 特 性 从 56mA/ mm 上 升 到 66mA/ mm ,跨导从 158mS/ mm 增为 170mS/ mm , 截止 频 率 由 101 7 GHz 增 大 到 131 7 GHz , 同 时 在 4 GHz 下 , V ds = 25V , V gs = - 21 5V , 输 出 功 率 由
11 2W/ mm 增大一倍达到 21 4W/ mm.
ness on t he t ron Lett ,2000 ,36 :1234 847 ]

图 5   GaN/ GaN H EM T 功率输出特性 Al

参考文献

Fig. 5  Power characteristic of Al GaN/ GaN H EM T

   从以上的对比数据可以看出 , 钝化技术能十分 显著地改善器件的微波和功率特性 . 我们知道 , 在 Al GaN/ GaN 器件表面存在表面陷阱能级 , 如图 6 所示 . 表面陷阱能级俘获电子形成负电中心 ,产生寄 生栅 ,工作电压越高 , 寄生栅的负电积累越增强 , 耗 尽层加深 ,使得二维电子气浓度降低 , 输出电流下 降 . 使用 Si3 N 4 钝化器件可以有效降低表面陷阱能 级的密度 ,阻止表面负电中心的产生 ,降低寄生栅对 沟道电子的耦合作用 , 从而减小和消除表面的俘获 效应[ 9 ] .

图6  表面寄生栅示意图

Fig. 6  Negative additio nal gate charge o n t he device surface

4  总结
μ 本文研制了基于蓝宝石衬底的 10 ×75 m × μ 01 8 m Al GaN/ GaN 微波器件 . 采用 P ECVD 技术

生长了 25nm Si 3 N 4 对器件进行了表面钝化 ,有效抑

制了表面缺陷对电子的俘获 , 从而降低了沟道的快

291 54dBm 增至 321 52dBm ,输出功率密度由原来的
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F ET’ on semi2insulating SiC wit h 3W/ mm at 20 GHz. Elec2 s

high2power

performance of

Al GaN/ GaN

第9期

p hire subst rate wit h total gate widt h of 01 75mm. After surface passivation wit h 25nm Si3 N 4 based on t he plasma enhanced chemical vapo r depo sitio n ( PECVD) met hod ,drain current and transconductance of Al GaN/ GaN H EM T increase f rom 560mA/ passivatio n effectively eliminates o r reduces t he defect s limiting bot h t he RF and power characteristics of Al GaN/ GaN H EM T. Key words : Al GaN/ GaN H EM T ; microwave power ; Si3 N 4 ; passivation mm and 158mS/ mm to 660mA/ mm and 170mS/ mm. More increase of o utp ut power f rom 291 54dBm to 321 52dBm. The surface EEACC : 4130 Article ID : 025324177 ( 2005) 0921804204
CAS( No . KGCX22SW2107)

Abstract : This paper report s an high performance Al GaN / GaN power hetero st ruct ure field effect t ransistors ( H EM Ts) o n sap 2
3 Project supported by t he State Key Develop ment Program for Basic Research of China ( No . 2002CB311903) and t he Innovation Program of   Chen Xiaojuan   female ,master candidate. She is engaged in research on co mpound semiconductor devices and circuit s.   Liu Xinyu   male ,professor . He is engaged in research on compound semiconductor devices and circuit s.  Received 11 J anuary 2005 ,revised manuscript received 16 March 2005 ν 2005 Chinese Instit ute of Elect ronics

10 × μm × 1 8 m Al G N/ G N Po wer Devices on Sapphire Substrate 75 0 μ a a with Output Po wer Density of 21 4W/ mm at 4 GHz 3
Chen Xiaojuan , Liu Xinyu , He Zhijing , Liu J ian , and Wu Dexin
( I nstit ute of M icroelect ronics , Chi nese A cadem y of S ciences , B ei j i n g   100029 , Chi na)

陈晓娟等 :   波段 01 75mm Al GaN/ GaN 功率器件 C

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