１ 引言

与第一代半导体材料Ｓｉ和第二代半导体材料ＧａＡｓ相比，ＧａＮ材料有出色的电学、光学、热学特性。虽然ＧａＮ电子有效质量比ＧａＡｓ大，电子迁
移率远小于ＧａＡｓ，但是ＧａＮ材料的禁带宽度（３.４ｅＶ）、电子饱和速度（２×１０７ｃｍ／ｓ）、峰值速度（３×１０７ｃｍ／ｓ）均比ＧａＡｓ大，击穿电场（１×１０１０～３×１０１０Ｖ／ｃｍ）也比ＧａＡｓ大一个数量级，这些特性决定了ＧａＮ基ＨＥＭＴ是微波领域高温、高压、大功率、抗辐射半导体器件的理想选择。ＧａＮ器件功率密度比ＧａＡｓ器件功率密度大得多，可用于制作大功率放大器、开关、振荡器、调谐器等单片电路［１］。有关ＧａＮ基ＨＥＭＴ研究始于９０年代［２］，随着材料生长质量的不断提高、器件制作工艺的不断完善，ＧａＮ基ＨＥＭＴ研究取得了突破性进展，功率密度、功率附加效率、增益等均有较大提高。

为了抑制ＧａＮ基ＨＥＭＴ电流崩塌效应，提高饱和漏电流密度，通常会在源漏之间淀积一定厚度的ＳｉＮ钝化层，但钝化层的存在增大了栅泄漏电流。采用场板结构可减小栅泄漏电流，大幅度提高器件的击穿电压，同时能够进一步抑制电流崩塌，从而提高器件的功率密度、功率附加效率和功率增益，且在工艺中容易实现，所以成为近些年来国内外微波半导体领域研究热点。Ｊ．Ｌｉ等人报道了采用非对称Ｇａｍｍａ结构、均匀场板长度为０.７μｍ时，ＧａＮ基ＨＥＭＴ击穿电压大于１１０Ｖ［３］；Ｙ.Ｆ.Ｗｕ等人利用均匀场板技术制作成功ＧａＮ基ＨＥＭＴ，频率为８ＧＨｚ，偏置为１２０Ｖ时，连续波功率密度约为３０.６Ｗ／ｍｍ，功率增益为１０.７ｄＢ，功率附加效率为４９.６％，是迄今报道的Ｘ波段最大功率密度的ＧａＮ ＨＥＭＴ［４］；２００５年，美国Ｎｉｒｏｎｅｘ公司Ｒ.Ｔｈｅｒｒｉｅｎ等人采用源终端场板技术制作出栅宽３６ｍｍＧａＮＨＥＭＴ，漏压偏置６０Ｖ、频率２.１４ＧＨｚ时，输出功率高达３６８Ｗ［５］。

２ 器件制备

衬底材料为ＳｉＣ，采用ＭＯＣＶＤ制作外延层，在衬底上淀积２０ｎｍ的ＧａＮ成核层和２μｍ的非掺杂ＧａＮ沟道层，沟道层上淀积２ｎｍ的ＡｌＮｓｐａｃｅｒ层，接着生长２０ｎｍ淀积ｉ-ＡｌＧａＮ势垒层。源漏电极欧姆接触通过Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／ＡｕＡｌＧａＮ势垒层合金化实现，栅极金属Ｎｉ／Ａｕ与ＡｌＧａＮ势垒层形成肖特基接触，势垒层上淀积有ＳｉＮ钝化层，以减小电流崩塌。栅终端场板由栅极向漏极一侧延伸而成。图１所示器件结构为非对称Ｇａｍｍａ栅结构，栅极向漏极的延伸部分形成栅终端场板，场板长度（ＬＦＰ）０～１.０μｍ，钝化层厚度８０ｎｍ。

３ 试验结果分析

３.１ 栅终端场板对直流特性的影响

直流测试表明，与无场板器件相比，栅终端场板对器件饱和电流、最大跨导影响可以忽略，实验主要研究了栅终端场板对器件击穿特性的影响。

利用半导体特性测试仪测量，ＧａＮ基ＨＥＭＴ测试电流为１００μＡ时的栅漏击穿电压，非对称Ｇａｍｍａ栅形成的栅终端ＬＦＰ分别为０.２～１.０μｍ，选取栅漏击穿电压（ＢＶｇｄ）大于７０Ｖ的器件，对应于每一种场板长度，计算具有相同场板长度２０个器件击穿电压取平均值，得到如图２所示曲线。由图２可知，增加场板结构后，器件栅漏击穿电压由７０Ｖ增加到１２０Ｖ。当ＬＦＰ＜０.４μｍ时，栅漏击穿电压随场板长度的增大而增大；当ＬＦＰ＝０.４～０.６μｍ时，栅漏击穿电压不变，且达到最大值，ＧａＮ基ＨＥＭＴ的平均最大栅漏击穿电压为１２０Ｖ；当ＬＦＰ＞０.６μｍ时，栅漏击穿电压随场板长度的增大而减小，最佳栅终端场板长度ＬＯＰ＝０.４，０.５，０.６μｍ。

理论及实际测量均表明，除栅极边缘耗尽层表面存在一个电场峰值外，场板边缘处耗尽层表面还存在另一个电场峰值［６-８］，故栅终端场板ＧａＮ基ＨＥＭＴ耗尽层电场分布存在两个峰值。当场板长度小于一定值时，场板边缘处峰值电场小于栅极附近的峰值电场，场板长度越大，两个峰值电场大小越接近，场板边缘处峰值电场越大，器件击穿时电场曲线覆盖的耗尽层区域越大，击穿电压越大。当场板长度达到一定值时，场板边缘峰值电场与栅极边缘峰值电场大小相近，即使继续增大场板长度，两峰值电场相差也不大，器件击穿时电场曲线覆盖的耗尽层区域变化不大，击穿电压不随场板长度的变化而改变。当场板长度超过一定值时，由于场板边缘峰值电场远大于栅极边缘峰值电场，击穿发生在场板边缘。场板越长，在耗尽层表面引入的负电荷越多，场板边缘峰值电场越大，器件击穿时电场曲线覆盖的耗尽层区域越小，击穿电压越低，栅漏击穿电压反而随场板长度的增大而减小。

３.２ 栅终端场板对器件小信号特性的影响

在得到最佳栅终端场板长度的基础上，测量了栅终端场板长度分别为０.４，０.５，０.６μｍ器件Ｓ参数，提取了特征频率和最大振荡频率，对应每一
个场板长度，选取１０个器件计算平均值，试验结果如图３所示。

由图可知，随着场板长度的增大，器件ｆＴ和ｆｍａｘ逐渐减小，场板的存在造成器件ｆＴ和ｆｍａｘ降低。无场板器件ｆＴ和ｆｍａｘ分别为２５ＧＨｚ和４６ＧＨｚ，场板长度为０.４μｍ时，器件的ｆＴ和ｆｍａｘ分别为１８和４０ＧＨｚ；场板长度为０.５μｍ时，器件的ｆＴ和ｆｍａｘ分别为１７和３８ＧＨｚ；场板长度为０.６μｍ时，器件的ｆＴ和ｆｍａｘ减小分别为１６和３４ＧＨｚ。相比无场板器件，场板长度为０.４μｍ时，器件的ｆＴ和ｆｍａｘ减小幅度分别为２７％和１３％；场板长度为０.５μｍ时，器件的ｆＴ和ｆｍａｘ减小幅度分别为３２％和１６％；场板长度为０.６μｍ时，器件的ｆＴ和ｆｍａｘ减小幅度分别为３６％和２５％。栅终端场板与栅同电位，扩展了栅漏间ＡｌＧａＮ耗尽层，故场板的存在相当于增大了有效栅长。由公式ｆＴ＝Ｖｓ／ＬＧ可知，栅终端场板会降低器件的特征频率，场板长度越长，有效栅长ＬＧ越大，相对于无场板器件频率下降幅度越大；由公式ｆｍａｘ＝ｇｍ／（２π ＣＧ）可知， ｆｍａｘ的下降主要由ＣＧ的增大引起。由于栅终端场板与栅极相连，场板沟道电容会转变成附加的栅漏电容ＣＧＤ，造成ｆｍａｘ下降。ＬＦＰ越大，ＣＧＤ越大；ＣＧ越大，ｆｍａｘ越小，故栅终端场板的存在会造成ｆｍａｘ的降低。

３.３ 栅终端场板对器件大信号特性的影响

综合栅终端场板对器件直流特性及小信号特性的影响，选取栅终端场板长度为０.４μｍ，在同一片芯片上制作了带有栅终端场板结构和无栅终端场板结构的器件。利用微波功率测试系统，测量了栅宽１ｍｍ无栅终端场板结构器件和栅终端场板器件的功率特性，结果如图４，５所示。由图可知，无场板ＧａＮ基ＨＥＭＴ在最大偏置电压Ｖｄｓ＝２８Ｖ时连续波输出功率为３.２Ｗ，功率增益为４.０ｄＢ，功率附加效率为１７％，偏置电压继续增大时，器件会击穿。栅终端场板结构器件在最大偏置电压Ｖｄｓ＝３８Ｖ时连续波输出功率为５.１Ｗ，功率增益为４.１ｄＢ，功率附加效率为２１％。由此可知，栅终端场板器件的工作电压及输出功率均大于无场板器件，增加栅终端场板后，器件工作电压增大，功率增益不变时，输出功率大幅度增大，功率附加效率上升。

４ 结论

研制出了带有栅终端场板结构ＧａＮ基ＨＥＭＴ。通过研究栅终端长度对器件击穿电压、小信号参数的影响，提取了最佳场板长度ＬＯＰ＝０.４μｍ，场板器件栅漏击穿电压最大值１２０Ｖ。栅终端场板的存在会降低器件的特征频率及最大振荡频率，栅终端场板长度为０.４μｍ时对器件特征频率及最大振荡频率影响最小。场板的存在可大幅度提高器件输出功率，在栅宽１ｍｍ，频率８ＧＨｚ，无场板器件最大工作电压Ｖｄｓ＝２８Ｖ时，连续波输出功率为３.２Ｗ，功率增益为4.0dB,功率附加递交效率为17.0%；栅终端场板器件最大工作电压VDs=38V时，连续波输出功率为5.1W，功率增益为4.1dB,功率附加效率为21.0%，栅终端场板的存在大大增加了器件输出功率。