Gan HEMT从耗尽型到增强型的转变

从耗尽型到增强型的转变，跟所有场效应晶体管一样,实际应用也需要增强型HEMT,因为增强型器件不需要负电压供电;同时,在数字电路中用增强型器件和耗尽型器件直接耦合而成的逻辑单元是最简单的电路构成。因此有增强型HEMT可以利用,微波电路就能简化、成本就会降低。但是,HEMT因为材料的极化特性而以耗尽型为其自然状态,增强型只能通过特殊工艺将其阈值电压从负值变成正值来实现。通过改变阈值电压实现增强型 GaAs HEMT或Gap HEMT的常用办法是将器件势垒层的栅下部分减薄,使栅极陷入势垒层中因而称之为凹栅(gate- recess)技术。减薄使势垒层栅下部分2DEG的电子面密度降低,再配合栅极金属从功函数角度的适当选择,其阈值电压有可能变成正值。但是这种办法不太适合于 Gan HEMT,因为势垒层的局部减薄需要使用对保留薄层无晶格损伤的湿法腐蚀,而对 AIGAN合金至今尚未找到一种合适的腐蚀液。干法腐蚀因为容易损伤保留层的晶格而使栅极漏电流非常高,而退火修复晶格损伤的办法在这里又有工艺上的困难。有效退火需要700℃的高温,而栅极接触金属(例如Ti/Au)一般受不了这样高的温度,因而要做就必须在蒸电极之前。这样,蒸电极就不能借用蚀刻掩膜而须进行二次光刻,栅电极和势垒层上的凹槽就很难对准。

目前公认的能够在制造工艺中改变 Gan HEMT阈值电压极性的有效方法是香港科技大学的陈敬等发明的氟等离子体处理法。该法不采用离子蚀刻减薄栅下势垒层的传统做法,而用氟等离子体处理法在势垒层的栅下区掺入电负性很强的氟原子,通过氟原子对电子的俘获来降低栅下2DEG的电子密度,达到与凹栅技术相同的效果。而且,氟原子的注入量可以通过氟等离子体处理的工艺条件加以控制,因而对栅压的控制非常灵活,也较容易将阈值电压提高到正1V左右,以保证器件在Uc=0V时处于关断状态。等离子体掺氟属于低能注入,对晶格的损伤很小,相应的修复温度只要400℃,可以在栅电极蒸发之后进行,因而栅电极的蒸发与氟等离子体处理共用一个掩膜,属于自对准工艺。

2007年,陈敬研究组发表了在此基础上进一步利用等离子体掺氟工艺降低势垒层的栅-漏间2DEG的电子密度,从而改善栅-漏电极之间的表面电场分布,有效提高阻断电压并抑制电流崩塌的高性能增强型(常关)GaN HEMT的研制情况。降低栅-漏间2DEG的电子密度的英文缩写为LDD,因而称这种器件为LDD-HEMT。图1是这种器件的元胞结构示意图。该器件与前述HEMT还有一个不同之处是势垒层的中间3/4厚度部分是重掺硅的载流子供给层。

图1 GaN常关LDD-HEMT元胞结构示意图

相关阅读