10-纳米InP基高电子迁移率晶体管（HEMT）研制及其太赫兹高频特性研究

This project aims to fabricate lattice matched InP based high electron mobility transistors (HEMTs) in InGaAs/InAlAs heterojuction with 10-nm T shape gates. As active devices in solid circuits, the fabricated InP-HEMTs are to accelerate the development of terahertz technology (>500 GHz) in the hightest gear for broad domestic applications as well as national defense. It is therefore in line with the strategy development plan of THz technology,which is urgently demanded in China. However, the development of InP-HEMTs with 10-nm knot T shape gates is proposed for the first time in the world. The physics of carrier transport in such short conducting channels behind the fabricated deivces and its correlated high-frequency performance are the key issues to be solved. Based on the recently innovated process for 10 nm T shape gates by the applicants, this project will explore the size effect of high frequency characteristics of InP-HEMTs when the channel length is being shortened from 100 nm down to 10 nm, and investigate the physics behind such a change. Basic research will focus on gating capability by the ultra short gate, parasitic effects of capacitors and resistors, and effects of quantum tunneling through short channel on the device performance, trying to discover their correlations. The research outcome will be used for the improvement of the device structure and the nanofabrication technique. The final task of the project is to successfully fabricate 10 nm knot InP-HEMTs and demonstrate their THz performance beyond 500 GHz.

本项目旨在研制拥有10 纳米T-形栅长、InP晶格匹配的InGaAs/InAlAs异质结高电子迁移率晶体管（HEMT）。作为固态电路中的有源器件，将应用于高频（fT>500 GHz）太赫兹技术，推动该技术在民用和国防建设的高速发展，符合国家发展太赫兹技术的战略部署和需求。10纳米节点的T-形栅HEMT器件属于国际首创，在如此短沟道下载流子输运和高频性能随着器件结构的等比例缩小而发生的演变，是发展太赫兹HEMT器件必须解决的关键科学问题。本项目将在申请人自主创新研发成功的10纳米T形栅工艺的基础上，探索当导电沟道长度从100纳米过渡到10纳米时，InP基HEMT器件高频特性的演变过程及内在机理。重点研究纳米加工工艺、超短栅的栅控能力、寄生效应克服、量子隧穿等短沟道效应同器件整体高频特性的关联，以此优化出最佳器件结构、改进纳米工艺，研制出10纳米InP-HEMT器件并演示其太赫兹性能。

在30µm～3 mm（频率0.1-10THz）的微波和太赫兹波技术在社会安全、空间技术、5G通信、国防（雷达成像和导弹制导）、宇宙探测、航天器无损探测等方面有着极其极其重大的应用，成为我国十四五科学技术优先发展的一个重要方向。本项目旨在研制具有10 nm尺寸的以磷化铟（InP）作为衬底的晶格匹配高电子迁移率晶体管（InP-HEMT），作为太赫兹单片集成电路（TMIC）中的关键有源器件，为进一步攀登HEMT家族新的频率高度打下理论和工艺技术基础。.项目主要研究了：适合10纳米HEMT的InGaAs/InAlAs异质结优化设计；10-20 nm新型T-形栅的纳米工艺基础研究；10–20 nm InP基HEMT器件特性研究等三个方面。取得了一系列一系列重要科研成果。包括：1）成功研发了10 nm T-形栅纳米加工工艺，并且研制了国际上最细的10 nm T-形栅；2）成功研发了一种新型的含空气隔层的场板形 T-形栅；并且在理论上分析了这种栅电极对于减小寄生电容，提高工作频率的优势；3）成功研发了一种新型的非对称T-形栅工艺；并总结了这种栅电极对于避免寄生效应、克服沟道尖峰电场的效果；4）成功研发了一种新型的Y-形栅工艺；为减小空间占据面积、缩小器件尺寸、同时保持较小的寄生电容打下了基础；5）建立并且完善了10 – 20 nm栅电极下InP-HEMT器件的结构的最佳设计；建立了各种栅电极和器件结构同器件性能之间的关系。6）建立并且优化了InP-HEMT器件的制备工艺；成功实现凹槽工艺中的阻挡层厚度的监测方法；源漏欧姆电极工艺上实现了具有国际先进水平欧姆接触电阻：0.03Ω/mm。7）成功研制了50 – 100 nm T-形栅下的InP-HEMT器件。.这个项目的成功，将我国在太赫兹技术发展中的关键部件InP基HEMT器件的基础科学研究和关键技术（纳米光刻和纳米工艺技术）的研发提高到了10-20纳米的水平，为解决由于沟道长度缩小到10纳米下的短沟道效应提供了宝贵的实验数据。尤其是在10纳米T-形栅纳米加工工艺上实现突破，跃居国际先进行列。将带动整个太赫兹技术领域（材料生长、器件工艺、高频检测和高频电学输运的基础理论等）的大力发展。