面向太赫兹应用的氮化镓基谐波增强型高电子迁移率晶体管研究

The project is on the study of novel structural HEMTs that are compatible with planar device fabrication process for terahertz application. The devices will be employed in next generation terahertz systems based on GaN monolithic ICs. The emphasis is put on the new mechanism, structure and process of enhancing harmonic-frequency components of THz devices, aimed at achieving the generation, modulation-demodulation, mixing and frequency multiplication of high power density signals at 200-300 GHz. In Particular, we propose a Schottky-ohmic composite contact instead of traditional ohmic contact for HEMTs which aims to modulate the electric-field in 2DEG channel in order to promote formation and propagation of multiple electron domains, thereby, enhancing the harmonic-frequency components. We also propose a novel device structure in the gate-drain region of HEMTs by using Schottky contact and thickness modulation of barrier layer above 2DEG channel, which aims to enhance the perturbation of spatial charges by means of drastically fluctuating the electric-field in the drain region in order to achieve an extremely non-linear transconductance, thereby, the high component of harmonic in terahertz frequencies.

本项目面向新一代氮化镓基单片集成太赫兹收发系统核心电子器件的设计和工艺实现，研究与平面工艺全兼容的高电子迁移率晶体管新型太赫兹器件，重点集中在器件的高次谐波调控新机理、新结构和新工艺，旨在实现高功率密度的200-300 GHz信号的产生、调制解调、混频、倍频等核心功能。研究采用肖特基-欧姆接触复合电极结构、非均匀势垒结构和浮空场板结构来调控二维电子气沟道电场，从而控制沟道内电子畴的形态和强度、以及电子温度，结合源漏区掺杂浓度的梯度变化，以增强高电子迁移率晶体管沟道漏极区的空间电荷扰动从而形成电子畴，实现器件的非线性跨导输出特性，以降低基波分量提高谐波分量，有利于高功率混频倍频太赫兹信号的产生。

提出在长沟道AlGaN/GaN-HEMT栅极和漏极之间的AlGaN势垒层中引入凹槽结构，通过凹槽结构对沟道内2DEG浓度的调控，进一步实现了栅极电压对沟道电场的调控，促进了沟道内电子畴的形成和稳定传播，产生太赫兹频率振荡。瞬态仿真研究了凹槽深度和长度对沟道电场分布的调控情况，在凹槽长度280 nm、深度为13 nm时，300nm栅长HEMT振荡频率为893GHz，IRF/IAV为7.2%。提出引入T形凹槽势垒层结构以提高调控效率，使器件具有了产生可调谐双频振荡的新特性，当栅偏压为0~0.2V 时，器件可获得频率范围分别约为0.6~0.63THz 和1.2~1.39THz的双频振荡。提出在GaN-HEMT器件中引入p-GaN岛状埋层结构，通过改变p-GaN岛埋层的掺杂浓度以及位置来调整2DEG沟道内电子浓度分布，在栅长200 nm的HEMT器件中仿真实现了344GHz ~ 377GHz基波振荡频率、If1 / Idc为2.4%~3.84%可调控范围。理论仿真基础上，工艺实现了凹槽结构AlGaN/GaN HEMT器件、凹槽场板复合结构的HEMT器件，验证了非对称势垒层对二维电子气的耗尽作用，并且对沟道电场起到调控作用，且凹槽结构能够降低栅电极边缘的峰值电场4.5%~16.8%，器件的击穿特性提高42.2%，截止频率fT可提高9%，其中复合结构的HEMT器件的JFOM系数提高率为173.2%。设计和实现了基于精确通孔刻蚀工艺的碳化硅衬底上的SIW结构传输线和滤波器，传输线在220 GHz的损耗仅有0.45 dB/mm，中心频率183 GHz的滤波器插入损耗仅为1 dB。同时研制成功了中心频率为185GHz，相对带宽9.7%，插入损耗1.55dB，且拥有两个带外零点的三腔体过模滤波器，体积缩小为1×1.1×0.1 mm，上频带引入两个带外零点实现了-40dB的带外特性。