毫米波器件用InAlN/InGaN HEMT关键技术研究

To meet the demand of millimeter-wave device application, the gate length and barrier thickness of GaN HEMT should be scaled down at a certain aspect ratio to improve the device operation frequency, which will result in distinct short-channel effects and degradation of 2DEG transport properties. To address this issue, this project propose a novel InAlN/InGaN HEMT, in which the conventional GaN channel is replaced by narrower band-gap InGaN with higher electron saturation velocity to improve the transport properties and confinement of 2DEG, thus solving the bottleneck problem in scaling down technologies. Firstly, high quality InGaN and InAlN will be achieved by employing digital-alloy growth technique and surface-reaction-enhanced pulsed MOCVD growth technique. Secondly, AlGaN back-barrier and AlN/GaN/AlN interlayer are adopted to realize InAlN/InGaN heterostructures with high electron mobility. Last, explore the key device fabrication processes to obtain source and drain low Ohmic contact resistance, insulation gate dielectric with low interface state, and sub-millimeter gate electrode of GaN HEMT. The final goal is to demonstrate InAlN/InGaN HEMT for millimeter-wave device application.

为满足毫米波器件应用需求，GaN HEMT器件栅长和材料势垒层厚度需等比例缩小来提高器件工作频率，但这会引起明显的器件短沟道效应和材料2DEG输运特性退化。针对该问题，本项目提出了新型InAlN/InGaN HEMT研究，即采用更窄禁带宽度和更高电子饱和速度的InGaN代替常规的GaN沟道来提高2DEG输运特性和限域性，解决等比例缩小遇到的瓶颈问题。首先，采用数字合金生长技术和表面反应增强型脉冲式MOCVD技术分别突破InGaN和InAlN材料生长难题。其次，引入AlGaN背势垒和AlN/GaN/AlN复合界面插入层获得高电子迁移率InAlN/InGaN异质结材料。最后，探索实现GaN HEMT源漏区低欧姆接触电阻、低界面态绝缘栅介质、亚微米器件栅极等关键器件制备工艺，最终研制出毫米波器件用InAlN/InGaN HEMT。

针对等比例缩小带来毫米波器件短沟道效应和材料输运特性退化问题，本项目提出了InAlN/InGaN HEMT研究，采用更窄禁带宽度和更高电子饱和速度的InGaN代替GaN沟道，来提高载流子输运特性，解决器件频率提升中的瓶颈问题。.本项目主要进行了含铟氮化物InAlN/InGaN异质结材料外延和输运提升、HEMT器件关键制备工艺研究，突破了含铟氮化物合金材料生长方法、异质结材料结构设计和输运机制、器件物理和工艺等关键技术。.采用PMOCVD技术实现了InAlN/InGaN异质结材料生长，建立了材料生长动力学模型，有效抑制了铟组分偏析和缺陷形成，分析了材料应变对铟组分结合效率的影响。采用渐变组分AlGaN背势垒结构，提高了InAlN/InGaN异质结2DEG限域性，抑制了载流子高温输运时溢出量子阱的几率。采用低温和高温两步法AlN界面插入层生长技术，有效保护了InGaN沟道表面，避免了高温引起InGaN沟道表面形貌恶化，提高了界面质量和2DEG输运特性。采用InAlN/InGaN双沟道进一步提高了2DEG面密度。和GaN沟道异质结材料相比，InGaN沟道材料具有更高的高温电子迁移率，主要归功于（Al）GaN背势垒提升了2DEG限域性。制备出基于InGaN沟道的AlGaN/InGaN HEMT和InAlN/InGaN/AlGaN MIS-HEMT器件。.基于上述创新，本项目实现了室温和593K时2DEG迁移率分别为1177 cm2/Vs和549 cm2/Vs的InAlN/InGaN异质结材料，室温和573K时迁移率分别为1293 cm2/Vs和539 cm2/Vs的InAlN/InGaN/AlGaN双异质结材料，室温迁移率和面密度分别为1119cm2/Vs和2.53×1013cm-2的InAlN/InGaN双沟道异质结材料。研制出输出电流密度和跨导峰值分别为1128.2 mA/mm和188mS/mm的AlGaN/InGaN HEMT器件，以及输出电流密度和跨导为1131.3 mA/mm和155 mS/mm的InAlN/InGaN/AlGaN MIS-HEMT器件。.本项目研究表明， InAlN/InGaN/(Al)GaN异质结具有高的载流子浓度和优越的高温输运特性，能满足器件等比例缩小对薄势垒层和高导电能力的需求，在解决GaN HEMT器件毫米波工作需求方面提供了技术途径。