【摘 要】
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增强型GaN基HEMT在高速射频开关、数字快速电路、射频集成电路以及微波单片集成电路等领域都具有很高的应用价值,目前p-GaN帽层技术是实现增强型GaN基HEMT的主流商用技术。然而,Mg掺杂难激活以及刻蚀损伤等因素限制了HEMT性能的进一步提升,因此高性能、低成本的增强型帽层技术具有重要的研究意义。本文通过Silvaco-ATLAS模拟了多种p型氧化物帽层HEMT的性能,最终选择器件性能更优的p
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增强型GaN基HEMT在高速射频开关、数字快速电路、射频集成电路以及微波单片集成电路等领域都具有很高的应用价值,目前p-GaN帽层技术是实现增强型GaN基HEMT的主流商用技术。然而,Mg掺杂难激活以及刻蚀损伤等因素限制了HEMT性能的进一步提升,因此高性能、低成本的增强型帽层技术具有重要的研究意义。本文通过Silvaco-ATLAS模拟了多种p型氧化物帽层HEMT的性能,最终选择器件性能更优的p-SnO薄膜,并从仿真和实验两方面对其进行了深入的研究。首次成功制备了阈值电压为1 V的p-SnO帽层增强型GaN基HEMT。同时,在此基础上进一步对E/D-mode HEMT DCFL逻辑电路进行了设计和仿真。本文主要的研究成果如下:（1）通过Silvaco-ATLAS建立了p型帽层HEMT的仿真模型,采用p型帽层的实验报道数据对模型进行了校准,并且拟合了自研的耗尽型GaN基HEMT的基本特性,进一步保证了仿真模型的准确性。之后,探索了SnO、Ni O、Cu2O、WO3、Mo O3和V2O5等p型金属氧化物作为HEMT的帽层时,实现增强型器件的机理,仿真结果验证了p型材料的EV越深,越容易耗尽栅下2DEG实现增强型器件的结论。同时,仿真结果显示,p-SnO帽层HEMT不但阈值电压较大,其漏极饱和电流也保持在相对较高的水平,随后对p-SnO帽层HEMT的性能进行了进一步研究。研究表明,随着SnO帽层厚度的增加,栅下2DEG耗尽加剧,阈值电压随之增大;随着SnO掺杂浓度的增大,Al GaN/GaN异质结处的能带随之提升,2DEG耗尽加剧,阈值电压也随之增大。因此,通过简单地调整p-SnO帽层的厚度（50-200 nm）或者掺杂浓度(3×1017-3×1018 cm-3)可以在0-10 V的较大范围内调整HEMT的阈值电压。并且该器件的阈值电压对不同制备方法造成的SnO薄膜的带隙波动并不敏感,表明p-SnO帽层HEMT的制备具有较大的工艺窗口。仿真结果表明SnO/（Al）GaN界面处的界面陷阱也会对HEMT的阈值电压稳定性造成一定程度的影响。（2）利用射频磁控溅射技术制备了40 nm厚的带隙为2.7 e V,平均表面粗糙度约为3.48 nm的p-SnO薄膜。随后制作了相应的p型帽层HEMT的工艺版图,并将上述p-SnO薄膜应用于HEMT的帽层,成功制备了阈值电压为1 V的p-SnO帽层增强型HEMT,相较于相同器件结构下的耗尽型器件,阈值电压正漂了3.5 V;同时,HEMT的漏极饱和电流密度为18 m A/mm（VG=4 V）,栅极泄漏电流密度为6×10-6m A/mm,栅极击穿电压和器件击穿电压分别为4.2 V和420 V。最后,对上述器件基本特性进行了拟合,仿真结果与实验结果一致,再次验证了仿真模型的准确性。这是首次实现以p-SnO为帽层的增强型Al GaN/GaN HEMT,成功验证了p-SnO帽层增强型GaN基HEMT的可行性,展现了p-SnO薄膜在GaN领域的巨大潜力。（3）在上述器件模型的基础上,利用Silvaco-ATLAS构建了E/D-mode HEMT DCFL反相器的电路模型,其中p-SnO帽层厚度为150 nm,掺杂浓度为7.5×1017 cm-3。DCFL反相器在驱动（E-mode HEMT）/负载（D-mode HEMT）比β为10,并且VDD为5 V的条件下,获得了4.99 V的VOH,0.17 V的VOL,对应输出摆幅为4.82 V;得到了1.80 V的VIL和2.61 V的VIH,相应的高/低噪声容限分别为2.38 V和1.63 V;另外其阈值电压为2.31 V。同时,还构建了基于p-SnO帽层增强型HEMT的DCFL与非门和或非门等简单逻辑门,并对其基本逻辑功能进行了仿真。仿真结果显示,在两个输入分别为高电平和低电平时,DCFL与非门的输出为高,DCFL或非门的输出为低,二者均能完成正确的逻辑功能,且输出摆幅较大。以上研究展现了p-SnO薄膜在GaN领域的巨大潜力以及GaN基HEMT在功率电子领域和逻辑电路领域的应用前景。
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