提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法
阅读：568发布：2020-06-07
专利汇可以提供提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种提高AlGaN/GaN 异质结 场效应晶体管 线性度的方法，相对于传统的利用外部 电路 提高器件线性度的方法，本 发明 在一定程度上增大极化库仑场散射，增强其对极化光学声子散射的抵消作用，将会使得RS具有更小的改变量，从而达到提高器件线性度的最终目的，从而使其具有简单、直接、可操作性强和集成度高等特点。，下面是提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法专利的具体信息内容。
1.一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其特征在于，该方法按以下公式(1)、(2)、(3)：
在公式(1)中，VG为栅偏压，dAlGaN为势垒层的厚度；e33和C33分别为AlGaN势垒层的压电系数和弹性刚度张量，所述e33和C33与AlGaN势垒层的Al组分相关，根据下面的公式得到：
e33＝(0.73x+0.73)C/m2 (2)
C33＝(-32x+405)GPa (3)
在公式(2)、(3)中，x为AlGaN势垒层的Al组分，m表示单位长度米，GPa为弹性常数单位，C/m2为压电系数单位；
通过增加附加极化电荷Δσ的数值，从而增大极化库仑场散射。
2.根据权利要求1所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其特征在于，所述增加所述附加极化电荷Δσ的数值的具体方法包括：采用AlxGa1-xN势垒层薄，所述AlxGa1-xN势垒层中Al组分的变化范围：0.15≤x≤0.35，AlxGa1-xN势垒层厚度变化范围：
10nm～35nm。
3.根据权利要求1所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其特征在于，所述增加所述附加极化电荷Δσ的数值的具体方法包括：通过挖栅槽工艺，即通过刻蚀栅下AlGaN势垒层。
4.根据权利要求1所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其特征在于，所述增加所述附加极化电荷Δσ的数值的具体方法包括：采用高Al组分的AlGaN/GaN异质结构材料，所述高Al组分范围为：15％～35％。
5.根据权利要求1所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其特征在于，该方法包括通过增大栅下附加极化电荷总量，从而增大极化库仑场散射。
6.根据权利要求5所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其特征在于，所述增加所述栅下附加极化电荷总量的具体方法包括：通过增大栅长/栅源长度比值，所述栅长/栅源长度比值>0.5。
7.根据权利要求5所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其特征在于，所述增加所述附加极化电荷总数量的具体方法包括：通过增大栅宽长度。
8.根据权利要求1所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其特征在于，所述提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，包括采用背势垒层结构，从而增大极化库仑场散射。
9.根据权利要求8所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其特征在于，所述背势垒结构指采用薄的GaN沟道层，并在GaN沟道层下生长一层AlGaN背势垒层；
所述薄的GaN沟道层的厚度为10-20nm。
提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法
技术领域
背景技术
[0002] 无线通信网络是21世纪信息技术最重要的基础之一，下一代可移动宽带无线通讯需要高频、大功率的固态电子器件，GaN材料具有宽的带隙和高的饱和电子漂移速度，这使得AlGaN/GaN基异质结场效应晶体管(HFETs)成为射频功率电子器件最具潜力的候选者。在无线基站、卫星通讯、雷达等射频应用中，线性度是一个关键性指标。现阶段，AlGaN/GaN HFETs线性失真问题严重制约其优势的充分发挥，成为其在射频应用领域一个不可忽视的问题。常见的提高线性度的方法如数字预失真、包络跟踪偏差控制等均采用外搭电路的形式。其一方面由于外部电路的存在，对器件的集成度有所影响；另一方面也增加了器件的功耗和反应时间。因此，研究一种能够从器件层次，如改变材料结构或者器件结构，进而提高线性度的方法是十分迫切和重要的。
发明内容
[0004] 发明概述：
[0005] 在AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中，由于器件线性度代表着器件输入输出的关联关系，其与器件跨导密切相关。跨导为器件的漏端输出电流与栅极输入电压的微分比值，其随着栅偏压的变化，直接决定了器件的线性度。基于gm＝1/(1/gm0+RS)这一公式，其中gm为器件单位栅宽跨导，gm0为器件单位栅宽本征跨导，其为器件本身的固有属性，无法改变；RS为单位栅宽寄生源端导通电阻，其与栅源沟道中的电子所受到的散射相关。我们可以发现，减小RS随栅偏压的改变，能有效地减小gm随栅偏压的变化，从而提高器件的线性度。
[0006] 寄生源端导通电阻是指栅源沟道之中的电阻，其由栅源沟道区域中的电子所受到的散射所决定。其中，栅源沟道电阻所受到的极化光学声子(POP)散射和极化库仑场(PCF)散射会随着栅偏压的变化而改变，从而影响RS的改变。在器件工作过程中，一般选取负的栅偏压下作为静态工作点。在负偏压范围内，极化光学声子散射会随着栅偏压从负偏压向零增大的过程中增大；而极化库仑场散射恰恰相反，会随着栅偏压的增大而减小。由于氮原子质量小，故极化光学声子散射是AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中最强的散射机制，并且因其与电子温度息息相关，很难改变其散射强度。但是极化库仑场散射，作为AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中一种独特的散射机制，与器件的材料和结构息息相关。
[0007] 极化库仑场散射，起源于AlGaN/GaN异质结界面处不均匀分布的极化电荷。由于AlGaN势垒层的自发极化和压电极化，在AlGaN/GaN异质结材料界面处会产生均匀分布的极化电荷。当进行器件工艺或者外加栅偏压后，这种均匀分布的极化电荷会被改变，从而引入与不均匀分布的极化电荷相关的附加散射势。这些非均匀分布的极化电荷，会对沟道载流子造成散射，从而导致极化库仑场散射形成。其中非均匀分布的极化电荷与均匀分布的极化电荷的差值称为附加极化电荷。随栅偏压的变化，由于逆压电效应，栅下区域的极化电荷会发生改变，其附加极化电荷Δσ由以下公式得到：
[0008]
[0009] 其中，VG为栅偏压，dAlGaN为势垒层的厚度；e33和C33分别为AlGaN势垒层的压电系数和弹性刚度张量，所述e33和C33与AlGaN势垒层的Al组分相关，根据下面的公式得到：
[0010] e33＝(0.73x+0.73)C/m2 (2)
[0011] C33＝(-32x+405)GPa (3)
[0012] 其中x为AlGaN势垒层的Al组分，m表示单位长度米，GPa为弹性常数单位，C/m2为压电系数单位。
[0013] 综上所述，在负偏压范围内，附加极化电荷Δσ越大，极化库仑场散射越强：随着栅偏压的增大(由负值向零靠近)，其VG的绝对数值减小，附加极化电荷的数值较小，因此极化库仑场散射减小。这种减小的极化库仑场散射会在一定程度上抵消增大的极化光学声子散射，从而减小RS的变化。因此，本发明利用上述原理优化器件材料和结构的设计，在一定程度上增大极化库仑场散射，增强其对极化光学声子散射的抵消作用，将会使得RS具有更小的改变量，从而达到提高器件线性度的最终目的。
[0014] 本发明的技术方案如下：
[0015] 一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，按以下公式(1)、(2)、(3)：
[0016]
[0017] 在公式(1)中，VG为栅偏压，dAlGaN为势垒层的厚度；e33和C33分别为AlGaN势垒层的压电系数和弹性刚度张量，所述e33和C33与AlGaN势垒层的Al组分相关，根据下面的公式得到：
[0018] e33＝(0.73x+0.73)C/m2 (2)
[0019] C33＝(-32x+405)GPa (3)
[0020] 在公式(2)、(3)中，x为AlGaN势垒层的Al组分，m表示单位长度米，GPa为弹性常数单位，C/m2为压电系数单位；
[0021] 通过增加所述附加极化电荷Δσ的数值，从而增大极化库仑场散射。
[0022] 根据本发明优选的，所述增加所述附加极化电荷Δσ的数值的具体方法包括：采用AlxGa1-xN势垒层薄，所述AlxGa1-xN势垒层中Al组分的变化范围：0.15≤x≤0.35，AlxGa1-xN势垒层厚度变化范围：10nm～35nm。AlxGa1-xN势垒层的厚度与Al组分相关，Al组分越高，AlxGa1-xN势垒层允许厚度越小，通常Al组分的变化范围：0.15≤x≤0.35，AlxGa1-xN势垒层厚度变化范围：10nm～35nm，对于有确定Al组分的AlxGa1-xN势垒层，其厚度在不影响栅下二维电子气浓度前提下越小越好。由公式(1)可知，当AlGaN势垒层厚度小时，即dAlGaN小时，所述附加极化电荷Δσ的数值增大，从而能有效地增大极化库仑场散射。
[0023] 根据本发明优选的，所述增加所述附加极化电荷Δσ的数值的具体方法包括：通过挖栅槽工艺，即通过刻蚀栅下AlGaN势垒层。减小AlGaN势垒层的厚度dAlGaN，增大栅下附加极化电荷，从而增强极化库仑场散射。
[0024] 根据本发明优选的，所述增加所述附加极化电荷Δσ的数值的具体方法包括：采用高Al组分的AlGaN/GaN异质结构材料，所述高Al组分范围为：15％～35％。本发明所选高Al组分的AlGaN/GaN异质结构材料，以不导致AlGaN势垒层应变弛豫前提下越大越好，由公式(1)，(2)，(3)可知，当Al组分增大时，AlGaN势垒层压电系数e33增大，弹性刚度张量C33减小，导致附加极化电荷的数值增大，从而能有效地增大极化库仑场散射。
[0025] 根据本发明优选的，所述提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，包括通过增大栅下附加极化电荷总量，从而增大极化库仑场散射。
[0026] 根据本发明优选的，所述增加所述栅下附加极化电荷总量的具体方法包括：通过增大栅长/栅源长度比值，所述栅长/栅源长度比值>0.5。所述栅长为AlGaN/GaN异质结场效应晶体管肖特基栅电极的长度；所述栅源长度为AlGaN/GaN异质结场效应晶体管栅电极和源端电极的距离。通过设计栅长/栅源长度比大的器件结构，可以使得栅下有更多附加极化电荷，其作用于更小的栅源沟道范围中的电子，从而使栅下附加极化电荷对于栅源沟道电子的作用增强，增强极化库仑场散射。
[0027] 根据本发明优选的，所述增加所述附加极化电荷总数量的具体方法包括：通过增大栅宽长度。在满足器件参数要求前提下越大越好，可以增大栅下附加极化电荷的总量，从而增大栅下附加极化电荷对于栅源沟道电子的散射作用，提高极化库仑场散射对RS的影响作用。
[0028] 根据本发明优选的，所述提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，包括采用背势垒层结构，从而增大极化库仑场散射。
[0029] 根据本发明优选的，所述背势垒结构指采用薄的GaN沟道层，并在GaN沟道层下生长一层AlGaN背势垒层。
[0030] 根据本发明优选的，所述薄的GaN沟道层的厚度为10-20nm。因为AlGaN背势垒层的存在，对GaN沟道中的二维电子气的限制作用增强，使得二维电子气更加靠近AlGaN/GaN界面，从而使得界面处的极化电荷与二维电子气的距离更近，附加极化电荷对二维电子气的作用增强，进而增强极化库仑场散射增强。附图说明
[0031] 图1是本发明实施例中两个器件输出功率(POUT)，增益(GT)和附加功率效率(PAE)随输入功率(POUT)的变化曲线图。
具体实施方式
[0033] 实施例1、
[0034] 一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，按以下公式(1)、(2)、(3)：
[0035]
[0036] 在公式(1)中，VG为栅偏压，dAlGaN为势垒层的厚度；e33和C33分别为AlGaN势垒层的压电系数和弹性刚度张量，所述e33和C33与AlGaN势垒层的Al组分相关，根据下面的公式得到：
[0037] e33＝(0.73x+0.73)C/m2 (2)
[0038] C33＝(-32x+405)GPa (3)
[0039] 在公式(2)、(3)中，x为AlGaN势垒层的Al组分，m表示单位长度米，GPa为弹性常数单位，C/m2为压电系数单位；
[0040] 通过增加所述附加极化电荷Δσ的数值，从而增大极化库仑场散射。
[0041] 实施例2、
[0042] 如实施例1所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其区别在于，所述增加所述附加极化电荷Δσ的数值的具体方法包括：采用AlxGa1-xN势垒层薄，所述AlxGa1-xN势垒层中Al组分的变化范围：0.15≤x≤0.35，AlxGa1-xN势垒层厚度变化范围：10nm～35nm。
[0043] 实施例3、
[0044] 如实施例1所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其区别在于，所述增加所述附加极化电荷Δσ的数值的具体方法包括：通过挖栅槽工艺，即通过刻蚀栅下AlGaN势垒层。
[0045] 实施例4、
[0046] 如实施例1所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其区别在于，所述增加所述附加极化电荷Δσ的数值的具体方法包括：采用高Al组分的AlGaN/GaN异质结构材料，所述高Al组分范围为：15％～35％。
[0047] 实施例5、
[0048] 如实施例1所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其区别在于，所述提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，包括通过增大栅下附加极化电荷总量，从而增大极化库仑场散射。
[0049] 实施例6、
[0050] 如实施例5所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其区别在于，所述增加所述栅下附加极化电荷总量的具体方法包括：通过增大栅长/栅源长度比值，所述栅长/栅源长度比值>0.5。
[0051] 实施例7、
[0052] 如实施例5所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其区别在于，所述增加所述附加极化电荷总数量的具体方法包括：通过增大栅宽长度。
[0053] 实施例8、
[0054] 如实施例1所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其区别在于，所述提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，包括采用背势垒层结构，从而增大极化库仑场散射。
[0055] 实施例9、
[0056] 如实施例8所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管线性度的方法，其区别在于，所述背势垒结构指采用薄的GaN沟道层，并在GaN沟道层下生长一层AlGaN背势垒层。
[0057] 所述薄的GaN沟道层的厚度为10-20nm。
[0058] 对比应用例、
[0059] 如实施例7所述的一种提高AlGaN/GaN异质结场效应晶体管器件线性度的方法，选取不同栅宽下的两个AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，结合极化光学声子散射和极化库仑场散射，分析其RS的变化趋势，从而对比其线性度的变化，最后并通过实际测试两器件的线性度，验证提高栅宽可以有效地提高器件线性度这一方法的可行性。
[0060] 选取了两个不同栅宽(栅宽分别为546μm和780μm)的AlGaN/GaN异质结场效应晶体管器件，除栅宽不同之外，其材料结构和器件结构均一致。
[0061] 在AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中，由于器件线性度代表着器件输入输出的关联关系，其与器件跨导密切相关。跨导为器件的漏端输出电流与栅极输入电压的微分比值，其随着栅偏压的变化，直接决定了器件的线性度。基于gm＝1/(1/gm0+RS)这一公式，其中gm为器件单位栅宽本征跨导，gm0为单位栅宽本征跨导，两个器件除栅宽不同外，材料结构和器件结构均一致，故其单位本征跨导gm0一致；RS为单位栅宽寄生源端导通电阻，其与栅源沟道中的电子所受到的散射相关。我们可以发现，减小RS随栅偏压的变化，能有效地减小gm随栅偏压的变化，从而提高器件的线性度。
[0062] 寄生源端导通电阻是指栅源沟道之中的电阻，其由栅源沟道区域中的电子所受到的散射决定。其中，栅源沟道电阻所受到的极化光学声子(POP)散射和极化库仑场(PCF)散射会随着栅偏压的变化而改变，从而影响RS的变化。在器件工作过程中，一般选取负的栅偏压下作为静态工作点。在负偏压范围内，极化光学声子散射会随着栅偏压从负偏压向零增大的过程中增大；而极化库仑场散射恰恰相反，会随着栅偏压的增大而减小。由于氮原子质量小，故极化光学声子散射是AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中最强的散射机制，并且因其与电子温度息息相关，很难改变其散射强度。但是极化库仑场散射，作为AlGaN/GaN异质结场效应晶体管中一种独特的散射机制，与器件的材料和结构息息相关。
[0063] 极化库仑场散射，起源于AlGaN/GaN异质结界面处不均匀分布的极化电荷。由于AlGaN势垒层的自发极化和压电极化，在AlGaN/GaN异质结材料界面处会产生均匀分布的极化电荷。当进行器件工艺或者外加栅偏压后，这种均匀分布的极化电荷会被改变，从而引入与不均匀分布的极化电荷相关的附加散射势。这些非均匀分布的极化电荷，会对沟道载流子造成散射，从而导致极化库仑场散射形成。其中非均匀分布的极化电荷与均匀分布的极化电荷的差值称为附加极化电荷。随栅偏压的变化，由于逆压电效应，栅下区域的极化电荷会发生改变，其附加极化电荷Δσ可由以下公式得到：
[0064]
[0065] 其中e33和C33分别为AlGaN势垒层的压电系数和弹性刚度张量，VG为栅偏压，dAlGaN势垒层的厚度。在负偏压范围内，附加极化电荷越大，Δσ越大，极化库仑场散射越强。由上式看出，随着栅偏压的增大(由负值向零靠近)，其VG的绝对数值减小，附加极化电荷的数值较小，因此极化库仑场散射减小。这种减小的极化库仑场散射会在一定程度上抵消增大的极化光学声子散射，使RS的改变减小，从而提高器件线性度。
[0066] 对于栅宽大的器件，其栅下附加极化电荷总量多，对栅源沟道的电子作用强，所以单位栅宽寄生源端导通电阻所受到的极化库仑场散射强。由于栅宽大的器件的RS所受到的极化库仑场散射强，其对极化光学声子散射的抵消作用强，使得RS的改变量更加小，从而使器件具有更好的线性度。
[0067] 为了验证本发明所述方法的有效性，分别对两个器件的线性度进行了实验测试：采用2.7GHz的单频连续波信号，在漏端电压为20V，栅偏压为-1V的情况下，在输入输出匹配的情况下，对器件的射频功率特性进行了测试。
[0068] 两个器件输出功率(POUT)，增益(Gain)和附加功率效率(PAE)随输入功率(POUT)的变化曲线如图1所示，明显发现，栅宽大的器件的增益相比于栅宽小的器件，其变化更加缓慢，这说明栅宽大的器件具有更好的线性度。并且，对比1-dB压缩点输入功率(PIN_1dB)，可以发现，栅宽大的器件(PIN_1dB＝5.57×10-2W/mm)远大于栅宽小的器件(PIN_1dB＝2.24×10-2W/mm)，并且栅宽大的器件的1-dB压缩点输入功率是栅宽小的器件的2.5倍。由此说明栅宽大的器件的线性度提高非常明显，进一步从实验的角度证明了，增大栅宽，可以增大极化库仑场散射，从而提高器件线性度。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种基于单电子晶体管的电荷探针及其制备方法 | 2020-05-13 | 835 |
| 信息处理结构体 | 2020-05-28 | 720 |
| 高击穿电压的高电子迁移率晶体管 | 2020-05-20 | 769 |
| 对电荷超敏感的库仑计及其制备方法 | 2020-05-14 | 587 |
| 半导体器件模拟方法与模拟器 | 2020-05-21 | 963 |
| 半导体器件模拟方法与模拟器 | 2020-05-22 | 619 |
| 一种岛动式单电子晶体管的制备方法 | 2020-05-12 | 208 |
| 信息处理结构体 | 2020-05-25 | 376 |
| 一种肖特基二极管势垒高度的提取方法 | 2020-06-08 | 418 |
| 一种PS微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法 | 2020-05-14 | 342 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
库仑势垒热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈