第三章 結果和討論
3-1 DC 特性
我們的閘極元件尺寸為 1.2×100μm2and 0.6×100μm2 (傳統閘極 和Γ 型閘極)。而且元件的源極到汲極距離是 7μm。全部元件的 DC 特性都是透過在300K 使用一台半導體參數分析器量測出。
3-1-1 電流-電壓特性
圖 3-1 顯示在室溫(300K)我們的典型共源極-汲極電流密度(IDS)對 汲極-源極電壓(VDS)特性。閘極的尺寸分別是 1.2×100μm2和
0.6×100μm2。閘極被加偏壓於0 伏到 5 伏在-1 伏特這個階段，且汲極 -源極被加偏壓於 0 伏到 20 伏。我們可以發現電流密度因為 Γ 型閘極 處理而增加。圖3-2 顯示汲極對源極 BVs(VBD(DS))定義傳統閘極和 Γ 型閘極分別在VDS=-5V 和 ID=1mA/mm 為 27V 和 33V。
圖 3-1 傳統型閘極和 Γ 型閘極的電流-電壓特性
圖3-2 汲極對源極電壓 BVs(VBD(DS))
圖 3-3 顯示不同的 Si3N4的 DC I-V 曲線。我們可以發現 Idss 隨著 Si3N4增加而增加然後最後當Si3N4大於 45nm 時在 365mA 飽和。圖 3-4 顯示汲極對源極 BVs(VBD(DS))定義不同的 Si3N4在VDS= -5V 和 ID=1mA/mm 為 31V, 33V 和 33.1V。由於好的閘極品質好的夾止特性 被完成為了全部兩個元件。扭結電壓比5.5V 小為全部兩個元件顯示 歐姆接觸的好特性。自我加熱作用可以在較高的VDS和IDS區被發現，
那是因為藍寶石底層[19][20]的低熱導率。
圖3-3 不同的 Si3N4的電流-電壓特性
圖 3-4 不同的 Si3N4的汲極到源極電壓BVs(VBD(DS))
3-1-2 轉移特性
我們元件的 DC 轉移特性(傳統閘極和 Γ 型閘極隨著不同的 Si3N4) 在室溫分別顯示於圖3-5 和圖 3-6。源極被加 6 伏偏壓。我們的元件(傳 統閘極和Γ 型閘極)的比較，IDSS0從 306.3 mA/mm 提高到 363.8 mA/mm；最大的外質轉移電導(gm,max)從 76mS/mm 明顯的提高到 93mS/mm，gm 的偏差，最大(Δgm,max)約比 22.4%更好；透過定義夾 止電壓(Vpinch-off)作為 IDS 插入的閘極偏壓截距，Vpinch-off從-4.5V 到 -4.7V，Vpinch-off (ΔVpinch-off)的偏差比約 4.4%更糟。因此，IDSS0和gm，
透過Γ 型閘極有最大有效的改善。比較我們的元件(不同的 Si3N4)，IDSS0 從348.9mA/mm 提高到 364.6mA/mm；最大的外質轉移電導(gm,max) 可以從86mS/mm 到 93.6mS/mm 看到明顯的提高，gm 的偏差，最大 (Δgm,max)比約 10%更好。
表 3-1 顯示我們的元件的在室溫下分別的 DC 特性(傳統型閘極和 Γ 型閘極)。
圖 3-5 傳統閘極和 Γ 型閘極的轉移電導
圖3-6 不同的 Si3N4的轉移電導
表3-1 DC 特性的概要
3-1-3 崩潰電壓
圖 3-7 顯示在室溫下兩端點關閉狀態閘極-汲極電流-電壓性(傳統 閘極和Γ 型閘極)。閘極-汲極逆崩潰電壓(BVGD)被定義為閘極到汲極 電壓在閘極電流密度達到1mA/mm。插入圖顯示直線上升的順向導通 特性。我們的元件在室溫下BVGD的值為-108V(-125V)和導通電壓為 0.86V(1.1V)。
圖 3-7 傳統閘極和 Γ 型閘極的兩個終點崩潰電壓
圖 3-8 顯示 BVGD和不同的Si3N4的導通電壓。BVGD的值為-125.7V, -125.5V 和-125V，且我們的元件(150Å, 300Å 和 450Å)在室溫導通電 壓為1.12V,1.11V 和 1.1V。比較我們的元件(傳統閘極和 Γ 型閘極)，
BVGD從-108V 提高到-125V，且導通電壓從 0.86V 提高為 1.1V。典型 崩潰特性發生於場效電晶體裡，那是在閘極緩衝器下依賴電場分佈的
區域。圖3-9 顯示傳統閘極和 Γ 型閘極的模擬電場。[21]-[22]
圖3-8 不同的 Si3N4的兩個終點崩潰電壓
圖 3-9 傳統閘極和 Γ 型閘極的模擬電場
表 3-2 分別顯示在室溫下我們的元件(傳統閘極和 Γ 型閘極)的導 通和崩潰電壓。
表3-2 崩潰電壓的概要
3-1-4 閘極漏電流
圖 3-10 顯示導通狀態閘極電流密度(IG) v.s.閘極源極電壓(VGS)對 於傳統閘極和Γ 型閘極。汲極電壓在 1V 的階段從 6V 到 10V, 且閘
極漏電流分別為-0.15uA/mm 和-0.12uA/mm。圖 3-11 顯示導通狀態閘 極電流密度(IG) v.s.閘極源極電壓(VGS)對於不同的 Si3N4。汲極電壓為 7V, 且閘極漏電流分別為-0.117μA/mm, -0.118μA/mm, -0.12
μA/mm。
圖3-10 傳統閘極和 Γ 型閘極在不同 VDS下閘極電流對閘極電壓
圖 3-11 不同的 Si3N4閘極電流密度對閘極電壓
3-1-5 輸出傳導
圖 3-12 和圖 3-13 顯示外質轉移電導的特性，輸出傳導，和傳統 閘極和Γ 型閘極的電壓增益。定義本電壓增益可以被描述成：
d m o
m g
r g g
Av= ⋅ = (3-1)
在VDS = 10 V 測量的樣品被用表格 3-3 顯示。從表 3-3，傳統閘極的 輸出傳導值較低於Γ 型閘極是因為降低表面陷阱和縮小閘極長度。因 此，高輸出阻抗，低輸出傳導和高電壓增益可以在 Γ 型閘極中達到。
因此，在飽和區較低的輸出傳導能提供高輸出阻抗，那有利於電壓增 益表現和減少負載效應。
圖3-12 外質轉移電導，傳統閘極和 Γ 型閘極的輸出電導和電壓增 益特性對汲極電壓
圖3-13 外質轉移電導，不同的 Si3N4的輸出電導和電壓增益特性對汲 極電壓
表3-3：在 VDS=2.5V 我們研究的元件 gm,gd,和電壓增益
3-2 與溫度有關的 DC 特性
3-2-1 電流電壓特性
圖 3-14 到圖 3-18 分別顯示從 300K 到 450K 我們元件的典型的共 源極汲極電流密度對汲極-源極電壓特性。閘極在-1V 的階段被加偏壓 1V 到-5V，且汲極-源極被加偏壓從 0V 到 20V。汲極電流密度被觀察 到隨著溫度增加而增加，這主要是由於在高溫下從有效載子到載子降 低的電子移動率和晶格散射機制。圖3-14 到圖 3-17 在各種溫度下表 現極好的夾止特性，因為高電阻率和2μm 非摻雜 GaN 緩衝層寬帶隙 降低電子注射進緩衝層和有效地壓抑底層漏電流。
圖3-14 在不同溫度下傳統閘極的電流-電壓特性
圖3-15 在不同溫度下 150 Å 的電流電壓特性
圖3-16 在不同的溫度下 300 Å 的電流-電壓特性
圖3-17 在不同的溫度下 450Å 的電流-電壓特性
3-2-2 轉移特性
圖 3-18 到圖 3-21 分別顯示轉移電導(gm)和汲極到源極飽合電流 密度(IDSS)特性當從 300K 到 450K 閘極到源極偏壓(VGS)的函數。汲 極被加偏壓在6V。因為汲極電流密度的減少，最大外質轉移電導的 數值隨著溫度增加而減少。圖3-22 和圖 3-23 顯示在較高溫下最大外 質轉移電導和汲極電流密度減少。圖3-24 說明當周圍的溫度的函數 從300K 到 450K 在 VDS=6V 下 Vth特性。在表3-4 中，最大 Γ 型閘極 的汲極電流密度的易變比率是比較小的。從表3-4，在較高溫下 Γ 型
通道內有好的閘極控制能力控制。
圖 3-18 在不同溫度下傳統閘極的轉移電導
圖3-19 在不同溫度下 150Å 的轉移電導
圖3-20 在不同溫度下 300Å 的轉移電導
圖3-21 在不同溫度下 450Å 的轉移電導
圖 3-22 在不同溫度下最大的外質轉移電導(gm,max)
圖3-23 在不同溫度下飽和汲極電流密度
圖3-24 在不同溫度下的夾止電壓(Vpinch-off)
表3-4 ID,max, gm,max, 和 Vth從300K 到 450K 的變化
3-2-3 崩潰電壓
圖 3-25 和圖 3-26 分別顯示從 300K 到 450K 兩個終端閘極-汲極 崩潰電壓的溫度特性。插入圖顯示在導通特性前放大倍率。閘極漏電 流的增加部份是由於穿隧機制和部分對於降低的能帶。它也由於載子 濃度增加導致較低的崩潰電壓。
圖3-25 不同溫度下傳統閘極的兩端點閘極到汲極崩潰電壓
圖3-26 不同溫度下 Γ 型閘極的兩端點閘極到汲極崩潰電壓
3-3 微波特性
我們的研究元件的微波特性透過 HP8510B 網路在 0.2 到 50GHz
頻率範圍連接藉由cascade 探針來量測。晶圓上標準完全消除結合寄 生的使用。商業模擬像是HP Eesof Touchstone 被用來分析 S-參數。
S-參數矩陣可以被轉成 H-參數矩陣。電晶體的 S-參數量測可能短路
2 ( GS GD)
圖3-29 輸出功率，功率增益和功率增加效率(P.A.E)特性對傳統閘 極和 Γ型閘極在24GHz下輸出功率
圖3-30顯示輸出功率(Pout)，聯合增益(GA)和功率增加效率(P.A.E)在 VGS=-2V偏壓下輸入功率的函數和在5.8GHz下 VDS=6V傳統型閘極。
元件表現14.8dBm的輸出功率和聯合功率增加效率為6.7%，且線性
功率增益為5.2dB。
圖3-30 輸出功率，功率增益和功率增加效率(P.A.E)特性對傳統閘
極和 Γ型閘極在5.8GHz下輸出功率
圖3-31顯示輸出功率(Pout)，聯合增益(GA)和功率增加效率(P.A.E)在 VGS=-2V偏壓下輸入功率的函數和在2.4GHz 下VDS=6V不同的
Si3N4。元件表現 19dBm, 18.4dBm和18.1dBm的輸出功率。聯合功率
增加效率為29.9%, 29.5% 和 29.2%。且線性功率增益在150 Å為 14.5dB, 300 Å 為13.6 dB和450 Å 為13.3 dB。
圖3-31 輸出功率，功率增益和功率增加效率(P.A.E)特性對不同的
Si3N4在2.4GHz下輸出功率
圖3-32顯示輸出功率(Pout)，聯合增益(GA)和功率增加效率(P.A.E)
在VGS=-2V偏壓下輸入功率的函數和在 5.8GHz下VDS=6V不同的 Si3N4。元件表現16.8dBm, 16.5dBm和16.3dBm的輸出功率。聯合功 率增加效率為9.7%, 9.5% 和9.4%。且線性功率增益在150 Å為6.7dB, 300 Å 為6.3dB和 450 Å 為6.1 dB。
圖 3-32 輸出功率，功率增益和功率增加效率(P.A.E)特性對不同的 Si3N4在 5.8GHz下輸出功率
圖3-29和圖3-31證明在2.4GHz下傳統閘極的功率增益較Γ 型 閘極來的低。
表3-6顯示我們的元件(傳統閘極和 Γ型閘極)在2.4GHz和
5.8GHz下的比較。
為了獲得高功率，減少閘極漏電流和增加崩潰電壓是需要的。我
們擔心功率特性隨著崩潰電壓減少而減少，但是相對的元件偏壓在 VDS=6V。
表3-6 功率特性的概要
3-5 雜訊特性
圖3-34 最小雜訊數字(NFmin)以及相關增加特性對不同的Si3N4的 頻率
表 3-7顯示我們的元件在2.4GHz和5.8GHz 下的比較。
表3-7 雜訊特性的概要
3-6 低頻雜訊特性
低頻雜訊的水平是決定微波應用元件潛能的一個重要參數。低頻
雜訊量測法被製造來說明介於未來不定的雜訊和各種處理方法之間 的關係；量測系統對半導體表面是敏感的。汲極雜訊電壓透過(Agilent
35670A)被放大且輸出藉由1Hz~100KHz的頻率範圍被供給到(BTA
9812B)光譜分析儀。各種元件被用在低頻雜訊量測偏壓為Vds=3V與
相關的100mA/mm 的Ids，像元件的串聯電阻強烈支配低頻雜訊。因
此，相同IDS偏壓點的使用對不定的雜訊特性，各種預處理的貢獻是 很重要的。如圖3-35和圖3-36所示，Γ型閘極比標準處理樣本有較 多的低雜訊限度，建議Γ型閘極處理改善表面影響。
圖3-35 傳統閘極和Γ 型閘極的1/f雜訊的比較
圖3-36 不同的 Si3N4的1/f 雜訊的比較