具有Γ型閘極結構氮化鋁鎵/氮化鎵高電子移動率電晶體之研製

報告題名：

具有Γ型閘極結構氮化鋁鎵/氮化鎵

高電子移動率電晶體之研製

作者：廖于豪、楊肇能、廖珮妏、陳伊婷、紀明儀 系級：電子工程學系四年級 學號：D9572338、D9535932、D9572181、D9530421、D9572724 開課老師：李景松 課程名稱：化合物半導體 開課系所：電子工程學系 開課學年： 98 學年度 第 一 學期

中文摘要 本實驗係研製一Γ閘極製程技術於一氮化鋁鎵/氮化鎵異質結構 場效體，以同時獲致有效縮短閘極長度、表面鈍化處理與形成一場極 板結構之優異特性。在閘極窗口為1.2 μm 氮化鋁鎵蕭特基接觸層上 沉積氮化矽鈍化層厚，並形成一Γ閘極結構有效縮短閘極長度為0.6 μm 及一長度為0.6 μm 之場極板結構，該氮化矽厚度分別為15 nm、30 nm、以及45 nm 對於元件特性之影響亦被完整探討。 使用傳統閘極與具有在不同氮化矽厚度(15 nm、30 nm、及45 nm) 之Γ閘極之氮化鋁鎵/氮化鎵異質結構場效體之直流和微波特性分別 為:飽和電流密度IDss0 (306.3 mA/mm、348.9 mA/mm、363.8 mA/mm、

及 364.2 mA/mm) 、最大轉導值gm,max (76 mS/mm、86 mS/mm、93 mS/mm、及93.6 mS/mm)、夾止電壓Vpinch-off ( -4.5 V、-4.65 V、-4.7V、 及-4.71 V)、電流增益截止頻率fT (10.1 GHz、12 GHz、13.1 GHz及13.4 GHz)、最大震盪頻率fmax (12 GHz、15.3 GHz、16.2 GHz 及16.5GHz)、 最小雜訊NFmin (2.8 dB、2.2 dB、1.9 dB 及1.8 dB)，最大輸出功率Pout (23.7 dBm、29.9 dBm、29.5 dBm 及29.2 dBm)。實驗結果顯示，使用 Γ閘極結構之氮化鋁鎵/氮化鎵異質結構場效體可有效改善電流密 度、元件線性度及輸出功率等優異特性，較厚之氮化矽鈍化層厚度有 利於高頻與高功率輸出特性之改善，而較薄之氮化矽鈍化層厚度有利

於低漏電流與高功率效率(P.A.E.)特性之改善。

目次 中文摘要...………..…...1 第一章 序論…...………...5 第二章 元件結構與製程步驟…...……….…………...10 2-1 元件架構…...………...10 2-2 製造過程...………..….…...11 2-2-1 樣品定向…...………...13 2-2-2 高台絕緣..…...………….…………...13 2-2-3 源極和汲極歐姆接觸…...……….….…...15 2-2-4 閘極蕭特基接觸...….…….…….…...16 2-2-5 Γ 閘極蕭特基接觸...…..……….……...16 第三章 結果和討論…...……….……...18 3-1 DC 特性…...……….……....18 3-1-1 電流-電壓特性....………...…...18 3-1-2 轉移特性...……...………...21 3-1-3 崩潰電壓...………...23 3-1-4 閘極漏電流...………...25 3-1-5 輸出電導...………...27 3-2 與溫度有關的DC特性...………...28

3-2-1 電流-電壓特性...……….…...28 3-2-2 轉換特性...….………...…..31 3-2-3 崩潰電壓...………...…....35 3-3 微波特性…...………..…...36 3-4 功率特性…...………...…...39 3-5 雜訊特性…...………...44 3-6 低頻雜訊特性...……….…...46 第四章 結論...……….……...48 參考文獻...………...…...49

第一章

序論

在最近十年，GaN 和它的合金化合物氮化銦，氮化鋁為我們帶來 許多的研究題目和應用，例如功率電子，微波電子，壓電的傳感器， 雷射二極體(LD)和發白光的二極體(LED)。這些獨一無二的特性使 III-氮化合物半導體被應用在一些傳統化合物或矽半導體沒辦法被使用 的特定方面。化學惰性讓III-氮化物元件能在高溫和高壓環境內正常 工作，而且具有較堅固的物理性質也對於晶圓和花費的成本是一個極 大的優勢。圖1-1 顯示能帶隙與各種化合物半導體中對晶格常數的比 較。氮化銦，氮化鎵和氮化鋁的能隙是0.8 e， 3.2 eV 和 6.2 eV, 其 範圍是在可見光和紫外光。圖1-2 顯示電壓和自然極化對 2DEG 的濃 度的影響，對2DEG[4]的主要的影響是極化作用。實際上，由於電壓 和自然極化作用，在沒有摻雜情況下可以獲得高的片載子濃度。在氮 化鋁鎵/氮化鎵界面由於晶格不匹配產生較大的應力。晶格不匹配在 雙軸壓力和應力產生壓電極化作用Pz [5]-[6]。表 1-1 顯示 FET 或 HFET 不同的化合物半導體包括矽，砷化鎵，磷化銦，碳化矽 和氮 化鎵基材的比較，HFET 在氮化鎵的基材上證明有較好的電子速度和

二維電子氣濃度。由於有較寬的能帶隙，較高的電子濃度和飽和速 度，最重要的是氮化鎵基底場效電晶體較適合應用在微波功率電子和 直流功率電子。III-V 族元件容易被閘極表面的狀況影響。當閘極的 面積縮小時，粒子和汙染物會容易損壞一個元件。鈍化層能保護在操 作、處理和資料的量測期間所損害的元件。通常被用的鈍化材料是 Si3N4。在這個作業中，使用 PECVD 來成長氮化矽鈍化層而添加的前 驅物為SiH4，NH3，Ar 和 N2 [9]-[10]。 圖 1-1 在各種化合物半導體內能隙對晶格常數的比較

圖1-2(b) 這些極化如何影響 AlGaN/GaN HEMT 內 2DEG 的濃度 表1-1 比較各種化合物半導體的FETs 近年來，很多報告提出了所謂的電場工程學，經由這過程的修改 可降低最大電場。場極板是簡單且有效的方法來減少電場峰值和增加 元件[11]-[15]崩潰電壓的一種有效方法。不過，這項技術將同時產生 許多寄生電容和一個更複雜的的過程。另外，一些報告已經證實透過 光學微影處理可使Γ 閘極的長度為 1μm，並且使功率明顯的提升。然 而，1 μm Γ 型閘極技術的過程也是非常複雜，這些過程包括兩次光學 微影，另外介電層的沉積和蝕刻對形成1 μm Γ 閘極是必要的。在這 項研究過程中，很多報告證明這項技術較傳統T 型閘極形成次微米 Γ 閘極容易並且能改進元件崩潰電壓和功率特性。與1 μm 閘極的 Γ 閘

極的技術比較中，次微米過程算是比較簡單，只使用一次E-beam 微 影過程來形成在GaN HEMT 上的 Γ 閘極。Γ 閘極的過程幾乎類似傳 統T 閘極，因此額外的寄生電容 Cgs和 Cgd增加較不明顯。所以，這 項Γ 型閘極的技術能保持原先元件高頻性能並且同時改進崩潰電壓 的優點。因此，III-氮化物 化合物半導體在未來有很大的機會成為光 電應用的替補材料。 在第二章，我們將描述元件的製造過程與架構包括高台隔離，源 極和汲極金屬化，閘極金屬化和使用Γ 閘極縮短閘極長度的過程。 在第三章中，我們描述實驗結果和討論，包括直流特性，和直流 特性的敏感度，fT和fmax，功率特性和雜訊特性(不同的 Si3N4的傳統 閘極和Γ 型閘極) 最後，我們在第四章為這篇論文做一個結論。

第二章

元件結構與製程步驟

2-1 元件結構

在這實驗當中，AlGaN/GaN 高電子遷移率電晶體(HEMTs)是以低 壓有機金屬化學氣相沉積來成長。藍寶石( 0001 )定向在(c-表面)被用 來作基層。在GaN 薄膜的發展之前，藍寶石在氫氣環境中被加熱到 1100℃來移除表面的髒汙。磊晶層是由 30nm 的 GaN 成核層組成，一 個2 μm 的未摻雜 GaN 層，一個 30nm 的未摻雜 Al0.27Ga0.73N 層。霍 爾量測顯示在室溫中片載子濃度為_1.37×1012 −2 cm 和電子移動率為 1200 2 cm /V-s。圖 2-1 和圖 2-2 說明 Al0.27Ga0.73N/GaN HEMT 的剖面圖 (傳統閘極和 Γ 型閘極)。 圖2-1 傳統閘極的剖面圖

圖2-2 Γ 型閘極的剖面圖

2-2 製造過程

為了形成圖案，我們使用標準微影和移除技術。為了保持晶圓的 乾淨，晶圓必須先泡在丙酮並且在超音波震動下清洗，然後用D.I water 沖洗，並且在每個步驟前用氮氣槍吹乾。圖 2-3 和圖 2-4 顯示在 AlGaN/GaN HEMTs 的製造過程中的 4 個主要的步驟。

圖 2-3 Al 0.27Ga 0.73N/GaN HEMT 的製造過程 圖2-4 Γ 型閘極製造過程的流程圖 (1) 樣品定位 (2) 高台絕緣 (3) 源極和汲極歐姆接觸 (4) 閘極蕭特基接觸

2-2-1 樣品定位

閘極方向必須平行橢圓形主軸去防止移除製程時產生開路現 象。這也是為什麼選擇閘極為 (100) 方向，並且在高台蝕刻選用 (011) 方向。

2-2-2 高台絕緣

高台絕緣的目的是用來降低漏電流，已獲得更好的夾止特性。首

先，樣品先浸泡在丙酮中接著以超音波震動清洗然後使用D.I. water 移除殘餘的丙酮。在這，我們使用鹽酸(HCL)消除表面氧化物。清除 以後，樣品被正光阻旋塗覆蓋，且旋轉的比率和時間被控制在12秒 7500rpm和25秒8500rpm。軟烤在90℃爐內進行30分鐘。然後樣品以 接觸光罩校準器(OAI 模型3HR /IR)曝光14秒來確定高台絕緣光阻圖 案且使樣品浸入顯影劑15秒。我們用熱蒸鍍Ni來當高台蝕刻光罩。 Ni的厚度大約100nm。使用丙酮移除光阻接著我們利用感應耦合電漿 蝕刻機(ICP-RIE)和Ar/Cl2電漿蝕刻反應來確定高台區域。我們使用的

蝕刻參數是Cl2 30sccm，Ar 10sccm，ICP 功率700 W，RIE 功率120 W

和儀器內部壓力為3mTorr蝕刻60秒。蝕刻比大約是410 nm/minute。下 一步，Ni的硬式光罩透過HNO3被完全除去。高台絕緣主要步驟如下： 1. 去水烘烤 2. 塗底 3. 旋塗 4. 軟烤(預先曝光烘烤) 5. 曝光 6. 顯影 7. 蒸鍍 8. 移除

9. 蝕刻 10. 移除Ni

2-2-3源極和閘極歐姆接觸

我們用把晶圓泡在丙酮中並用超音波振動清洗然後利用鹽酸去 除表面氧化層。晶圓被AZ1400光阻覆蓋並且在90℃下烘烤30分鐘。 之後，使用標準微影技術形成圖案。欲鍍的金屬和烏舟必須在超音波 震動中分別用丙酮和鹽酸震5分鐘，並用D.I. water 沖洗且用高純淨氮 氣槍吹乾淨。我們用Ti/Al/Au合金形成良好的歐姆接觸[16]-[18]。厚 度約為Ti (10nm)/Al (100nm)/Au (100nm)。由於Ti (10nm)/Al (100nm) 層具有較低的功函數，且Ti/Al/Au合金在退火之後將在金屬和半導體 介面重新形成。此外，Au (100nm)這層能防止表面形成的Al2O3往外 擴散。透過快速加熱退火(RTA)我們利用的退火溫度和時間參數為60 秒900℃。元件的源極-閘極距離為 7μm。高台隔絕的主要步驟如下： 1. 去水烘烤 2. 塗底 3. 旋塗 4. 軟烤(預先曝光烘烤) 5. 曝光 6. 顯影

7. 蒸鍍 8. 移除 9. 退火

2-2-4閘極蕭特基接觸

在形成理想歐姆接觸之後，我們選擇Ni/Au當我們的蕭特基接觸 金屬。Ni有高的功函數，以便能增加蕭特基位障高度來抑制漏電流已 獲得更高的崩潰電壓。在我們的實驗中，樣品被正光阻(AZ1400)旋 塗，且較薄的光阻厚度旋轉比率和時間被控制在12秒8000 rpm和35秒 10000 rpm。然後樣品以接觸光罩校準器(OAI 模型3HR /IR)曝光14秒 來定義閘極圖案，接著顯影15秒。之後，我們對Ni/Au 場極板用加熱 沉澱，厚度為Ni(100nm)/Au (50nm)。最後用丙酮移除光阻即完成 GaN/AlGaN/GaN HEMTs。在我們閘極圖案中，元件分別有2條1.2μm 長和100μm寬的閘極細線。

2-2-5 Γ 型閘極蕭特基接觸

在形成理想的源極和汲極歐姆接觸後，我們透過 PECVD 沉積 Si3N4作為鈍化層。在鈍化後，在洞被形成使用微影和用BOE 蝕刻。 最後，在覆蓋光阻後，我們用一些變化定義圖案。在深紫外光曝光後， 我們使用蒸氣器在空間中充滿Au 然後移除。Γ 形狀閘極形成。圖 2-4 簡略說明研究元件的Γ 閘極過程的順序。在我們的閘極圖案中，元件

個別有2 條 0.6μm 長度和 100μm 寬度的閘極細線。 \

第三章

結果和討論

3-1 DC 特性

我們的閘極元件尺寸為 1.2×100μ 2 m and 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 0.6×100μ 2 m 。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 I_DS 插入的閘極偏壓截距，Vpinch-off從-4.5V 到

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 g r 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3-21 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

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 增益(H21)和元件的最大有效的功率增益(MAG)被決定步驟如 [23]-[26]： 21 12 22 11 21 21 ) 1 )( 1 ( 2 S S S S S H ⋅ + + − − = _(3-2) 和 ( 2 1) 12 21 _{⋅ − −} = K K S S MAG (3-3) 21 12 21 12 22 11 2 22 2 11 2 1 S S S S S S S S k ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ + − − = _(3-4) 截止頻率fT可以從0dB下短路電流增益H₂₁的插入中獲得。Fmax也可 從最大有效的功率增益(MAG)的插入中被獲得。從方程式3-3，我們 可以知道如果k值比單位小，MAG是沒有意義的。因此，當k等於 單位時，我們能為MAG獲得的值在此頻率下被定義為最大穩定功率 增益(MSG)。然而，最大穩定功率增益(MSG)可以被決定遵循以下方 程式： 12 21 S S MSG = _(3-5) 然而，fT和 fmax可以被決定遵循以下方程式：

_{2 ( )} GD GS m T C C g f + ≈

π

(3-6) 和

[

]

12 0 max 2 ) ( 2 _{G S GD} T C R R G f f π + + ≈ _(3-7) 根據資料轉換S-參數測量我們得到H21，MAG和MSG並顯示於 圖3-27和圖3-28。我們的元件的偏壓條件為VDS=6V和VGS= -3.5V。 我們得到傳統閘極和Γ型閘極 fT和fmax 為10.1(12)GHz和 12(15.3), 13.1(16.2), 13.7(16.8)GHz。 圖3-27 傳統閘極和Γ 型閘極的高頻特性 圖 3-28 不同的Si3N4的高頻特性

表3-5 fT和 fmax[27]的所有數值

3-4 功率特性

功率增加的效率(P.A.E.)被定義為：

=

−

×

100

%

DC m out dd

P

P

P

η

_(3-8) 我們可以推測這是輸入DC功率轉換成輸出 AC功率的比率。功 率增加效率證實元件的效率為一台功率變流器，把DC能量改變成微 波RF能量。用簡單的功率檢驗組織量測。源極和負載阻抗匹配有著 兩個雙倍調諧被充分運用，且band-pass過濾器透過功率檢波器被混 合用來確保在基本頻率下正確功率的讀取。元件被加偏壓在Class AB 接近夾止操作下。 圖3-29顯示輸出功率(Pout)，聯合增益(GA)和功率增加效率(P.A.E) 在VGS=-3.5V偏壓下輸入功率的函數和在2.4GHz下 VDS=6V傳統型 閘極。元件表現 16.9dBm的輸出功率和聯合功率增加效率為 23.7%， 且線性功率增益為11.1dB。

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3-33和圖3-34顯示最小雜訊數字(NFmin)和相關的增益依照我 們的元件(傳統閘極和Γ型閘極)的頻率。透過 HP8970B雜訊數值測 量出雜訊情況超出1到6GHz的頻率範圍。最小雜訊數字(NFmin)可 以隨著以下方程式被近似為：

[

g R R

]

dB f f k NF _{mi g s} T F ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + ⋅ + = 0.5 min 101log 1 ( ) (3-9) kF是 Fukui常數，一個經驗的適合因素，Iopt是最佳的汲極電流 最小雜訊操作點；且Ec是理想的 v-E關係的關鍵領域。 圖3-33 最小雜訊數字(NFmin)以及相關增加特性對傳統閘極和Γ型 閘極的頻率

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

第四章

結論

總之，製造一個SiN鈍化Γ 型閘極MHEMT的一個新穎的裝置 處理方法已經被研究出來。閘極長度削減，SiN表面鈍化和場極板架 構可以在同一時間內被達成和改善元件性能。目前的轉移曝光方法可 以容易被應用於先進的高精密處理元件。關鍵方法是沉積閘極金屬穿 過一階段於AlGaN和Si3N4之間底切來獲得一個減少0.6μm閘極長度 隨著從1.2μm閘極窗額外的0.6μm場極板。閘極-金屬長度的影響、 場極板長度和Si3N4厚度在AlGaN/GaN高電子遷移率電晶體(HEMTs)

上的性能也被研究。 Γ型閘極技術可以增加關閉狀態和導通狀態崩潰特性；然而，Γ 型閘極GaN HEMT 元件可以在較高的Vds下被操作來展現更好的輸 出功率。 除了電流密度外，汲極到源極和閘極到汲極的崩潰電壓，元件線 性，單位電流增益和電壓增益頻率也被改善，作為和那些沒有場極板 的1.2μm閘極元件相比。 參考文獻

[1] W. Saito, M. Kuraguchi, Y. Takada, K. Tsuda, I. Omura, and T. Ogura, “High Breakdown Voltage Undoped AlGaN–GaN Power HEMT on Sapphire Substrate and Its Demonstration for DC–DC Converter

Application”, IEEE Trans. Electron Device,vol. 51, pp. 1913-1917, Nov. 2004.

[2] B. S. Kang, S. Kim, F. Ren, J. W. Johnson, R. J. Therrien, P.

Rajagopal. J. C. Roberts,E. L. Piner, K. J. Linthicum, S. N. G. Chu, K. Baik, B. P. Gila, C. R. Abernathy, and S.J. Pearton, “Pressure-induced changes in the conductivity of AlGaN/GaN high-electron

mobility-transistor membranes”, Applied Physics Letters, vol. 85, pp.2962-2964, 2004.

[3] U. K. Mishra, P. Parikh, and Y. F. Wu, “AlGaN/GaN HEMTs—An Overview of device operation and applications”, IEEE, vol. 90, no. 6, June 2002.

[4] F. Sacconi, A. Di Carlo, P. Lugli, and H. Morkoc, “Spontaneous and piezoelectric polarization effects on the output characteristics of

AlGaN/GaN heterojunction modulation doped FETs”, IEEE Trans. Electron Device, vol. 48, pp. 450-457, Mar.2001.

[5] P. M. Asdeck, E. T. Yu, S. S. Lau, G. J. Sullivan, J. Van Hove and J. Redwing,“piezoelectric charge densities in AlGaN/GaN HFETs”, Electron. Lett.,331230(1997).

[6] E. T. Yu, G. J. Sullivan, P. M. Asbeck, C. D. Wang, D. Qiao, and S, S, Lau,“Measurement of piezoelectrically induced charge in GaN/AlGaN heterostructure field effect transistors”, Apply. Phys. Lett. 71, 2794(1997) [7] N. Hara, K. Makiyama, T. Takahashi, K. Sawada, T. Arai, T. Ohki, et al., “Highly Uniform InAlAs–InGaAs HEMT Technology for High-Speed Optical Communication System ICs,” IEEE Trans. Semiconductor

[8] J. W. Johnson, E. L. Piner, A. Vescan, R. Therrien, P. Rajagopal, J. C. Roberts, J. D.Brown, S. Singhal, and K. J. Linthicum, “12 W/mm

AlGaN–GaN HFETs on Silicon Substrates”, IEEE Electron Device Letters, vol. 25, pp. 459-461, Jul. 2004.

[9] H. Ishikawa, K. Yamamoto, T. Egawa, T. Soga, T. Jimbo, and M. Umeno, “Thermal stability of GaN on (111) Si substrate,” J. Cryst. Growth, pp. 189-190, 1998.

[10] Woo-Suk SUL, Sam-Dong KIM_, Hyung-Moo PARK and Jin-Koo RHEE “Electrical Characteristics of the 0.1_m Gate Length PHEMT with Low-Dielectric-Constant Benzo-Cyclo-Butene Passivations” Jpn. J. Appl. Phys. vol. 42 p. 7189 2003

[11] Y. Ando and T. Itoh, “Accurate Modeling for Parasitic Source Resistance in Two-Dimensional Electron Gas Field-Effect Transistors,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 36, p. 1036, 1989.

[12] Kamal Tabatabaie-Alavi, Senior Member, IEEE, Dale M. Shaw, and Paul J.“DuvalEvolution of T-Shaped Gate Lithography for Compound Semiconductors Field-Effect Transistors. “IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, vol. 16, no. 3, p. 365 August 2003 [13] H. R. Chen, M. K. Hsu, S. Y. Chiu,W. T. Chen, G. H. Chen,Y. C.

Chang, and W. S.Lour, Member, IEEE, “InGaP/InGaAs Pseudomorphic Heterodoped ChannelFETs With a Field Plate and a Reduced Gate Length by Splitting Gate Metal”, IEEE Electron Device Lett, 27 p. 12 , 2006 [14] G,M. Metze, senior member, IEEE, J. F. Bass, T. T. Lee, Member, IEEE “A Dielectric-Defined Process for the Formation of T-Gate

Field-Effect Transistors”, IEEE Microwave and Guided Wave Letters, 1 p. 3 1991

[15] K. S. Lee, Y. S. Kim, K. T. Lee, and Y. H. Jeong “Process for 20 nm T gate on Al0.25Ga0.75As/ In0.2Ga0.8As/GaAs epilayer using two-step lithography and zigzag foot” , JVST B 24, p. 4 2006

[16] J. Chen, D. G. Ivey, J. Bardwell, Y. Liu, H. Tang, and J. B. Webb, “Microstructural analysis of Ti/Al/Ti/Au ohmic contact to

n-AlGaN/GaN,” J. Vac. Sci. Technol., vol. 20, no. 3, pp. 1004-1010, 2002.

[17] D. F. Wang, F. Shiwei, C. Lu, A. Motayed, M. Jah, S. N. Mohammad, K. A. Jones, and L. S. Riba, “Low-resistance Ti/Al/Ti/Au multilayer

ohmic contact to n-GaN,” J. Appl. Phys., vol. 89, no. 11, pp. 6214-6217, June 2001.

ohmic contact formation in AlGaN/GaN high electron mobility

transistors” Semiconductor Science and technology, vol. 21, pp. 175-179, Jan. 2006.

[19] J. Kuzmik, P. Javorka, A. Alam, M. Marso, M. Heuken, et al., “Investigation of self-heating effects in AlGaN-GaN HEMTs,” Proc. EDMO, pp. 21-26, 2001.

[20] R. Gaska, A. Osinsky, J. W. Yang, and M. S. Shur, “Self-Heating in High-Power AlGaN-GaN HFET’s,” IEEE Electron Device Lett., vol. 19, no. 3, pp. 89-91, 1998.

[21] W. S. Lour, W. L. Chang, Y. M. Shih, and W. C. Liu, “New self-aligned T-gate InGaP/GaAs field-effect transistors grown by

LP-MOCVD,” IEEE Electron Device Lett., vol. 20, no. 6, pp. 304–306, Jun. 1999.

[22] S. W. Tan, W. T. Chen, M. Y. Chu, and W. S. Lour, “Sub-0.5-μm gate doped-channel field-effect transistors with HEMT-like channel using thermally reflowed photoresist and spin-on glass,” Semicond. Sci. Technol., vol. 19, no. 2, pp. 167–171, Feb. 2004

[23] P. Cova, R. Menozzi, D. Lacey, Y. Baeyens and F. Fantini, “High performance electron devices for microwave and optoelectronic

applications,” EDMO, IEEE 1995 Workshop, 1995

[24] K. Kiziloglu, H. Ming, D. S. Harvey, R. D. Widman, C. E. Hooper, P. B. Janke, J. J. Brown, L. D. Nguyen, D. P. Docter and S. R. Burkhart, “High-performance AlGaAs/InGaAs/GaAs PHEMTs for K and Ka-band applications,” Microwave Symposium Digest, IEEE MTT-S International, vol. 2, p. 13, 1999.

[25] J. C. Huang, W. C. Hsu, C. S. Lee, D. H. Huang, and Y. C. Yang, “High-Power Density and High-Gain δ-Doped

In0.425Al0.575As/In0.425Ga0.575As Low-Voltage for Operation,” J. of the Electronchemical Soc., vol. 154, pp. 185-190, 2007.

[26] M. Miyashita, N. Yoshida, Y. Kojima, T. Kitano, N. Higashisaka, J. Nakagawa, T. Takagi and M. Otsubo, “An AlGaAs/InGaAs

pseudomorphic HEMT modulator driver IC with low power dissipation for 10-Gb/s optical transmission systems”, Microwave Theory and Techniques, vol. 45, p. 1058 ,1997.

[27] A. T. Ping, M. A. Khan, Q. Chen, J. W. Yang, and I. Adesjda,

“Dependence of DC and RF characteristics on gate length for high current AlGaN/GaN HFETs,” Electronics Lett., vol. 33, no. 12, pp. 1081-1083, 1997.