【摘 要】
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在射频微波器件的研究中,HEMT器件因具有高电子迁移率的二维电子气沟道,适合作为各种波段的射频应用中的高频器件。微波器件的关键指标是截止频率（FT）与最大振荡频率(Fmax),而缩短栅极长度又是提高器件工作频率的有效途径,但是器件会因为栅长缩短到纳米尺度而出现短沟道效应,对器件的电学性能造成影响,甚至无法工作。本文的主要目标为使用Silvaco TCAD软件设计高频GaN基HEMT与InP基HEM
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在射频微波器件的研究中,HEMT器件因具有高电子迁移率的二维电子气沟道,适合作为各种波段的射频应用中的高频器件。微波器件的关键指标是截止频率（FT）与最大振荡频率(Fmax),而缩短栅极长度又是提高器件工作频率的有效途径,但是器件会因为栅长缩短到纳米尺度而出现短沟道效应,对器件的电学性能造成影响,甚至无法工作。本文的主要目标为使用Silvaco TCAD软件设计高频GaN基HEMT与InP基HEMT器件,使GaN基HEMT器件工作频率在300-400 GHz,InP基HEMT工作频率在1 THz以上,并抑制其短沟道效应。具体研究内容如下:（1）分析短沟道效应对器件电学性能的影响和势垒层厚度减小对短沟道效应的抑制。结果表明,栅长减小引起的短沟道效应使器件的直流性能受到恶化。当器件的栅下势垒层厚度从25 nm减小至5 nm时,但是器件的跨导增大了0.034 S/μm,使阈值电压正移了5.5 V。并且势垒层厚度为5 nm时,GaN衬底几乎全部耗尽,对沟道的夹断更加有利,有效抑制了因减小器件栅长而产生的短沟道效应。5 nm栅下势垒层厚度的器件与25 nm栅下势垒层厚度的器件,漏极电压而导致的势垒降低值减小了53.8%,改善了漏致势垒降低效应。（2）设计了两种高频性能的HEMT结构,分别是多指形栅极的InAlN/GaN HEMT和双δ掺杂层的In AlAs/InGaAs/InP HEMT。二指栅极可以减小器件的总寄生电容,减小载流子通过器件的总渡越时间,这使器件的FT和Fmax增加。由于In Al N与GaN晶格匹配,所制成的异质结极化效应更强,载流子的密度更大,所设计出的二指栅In Al N/GaN HEMT获得了239.5 GHz的FT和331.5 GHz的Fmax。具有双δ掺杂层的InAlAs/InGaAs/InP HEMT,使用多指栅和双δ掺杂层,在沟道中实现非常高的薄层电荷密度,为电流传导提供电子载流子,进一步增加峰值跨导和最大饱和电流,所设计出的器件的频率性能为853.6 GHz的FT和1.411 THz的Fmax。（3）研究了外部应力对器件性能的影响。当AlGaN势垒层对器件施加压应力时,使器件异质结界面处的导带能量更低,量子阱变得更深窄,导致了二维电子气浓度的增大,使得输出电流变大。由于GaN的压电极化特性,当钝化层对器件施加压应力时,压电极化电荷浓度降低,导致阈值电压增大。并通过对势垒层施加压应力,将多指形栅极的In Al N/GaN HEMT的FT和Fmax提高了5.7 GHz和5.4 GHz,双δ掺杂层的InAlAs/InGaAs/InP HEMT的FT和Fmax分别增加了15.3 GHz和17 GHz。
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