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研究生:陳冠宇
研究生(外文):Chen, Guan-Yu
論文名稱:高頻及高功率氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體製作與分析
論文名稱(外文):The Fabrication and Analysis of High Frequency and High Power Density AlGaN/GaN HEMT
指導教授:黃智方
指導教授(外文):Huang, Chih-Fang
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:97
中文關鍵詞:氮化鎵氮化鋁鎵高電子遷移率電晶體
外文關鍵詞:GaNAlGaNHEMT
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中文摘要
  本論文中,將介紹製作於高阻值矽基板(111)上的氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體其在微波頻段的應用,利用閘極場平板結構製作出通道長度0.25μm與0.5μm元件閘極,其最大飽和電流密度與飽和區最大轉導增益分別為700 mA/mm和138 mS/mm;且在製程上進一步縮短源極到汲極間距至4μm,搭配『嵌入式閘極』的方式,提升元件高頻操作之特性,其中0.5μm的元件截止頻率fT從5.83GHz提升到28.11GHz,最大功率輸出頻率fmax從12.57GHz 也提升到60GHz。
  在功率特性上,經由1.8GHz load-pull連續波系統量測,觀察到元件操作於Class A的偏壓點情況下(VDS = 20V, VGS = -5V) 有功率增益13dB、最大輸出功率密度0.83W/mm,功率附加效益18.43%的輸出特性。

Abstract
In this thesis, microwave performance of AlGaN/GaN high electron mobility transistors on high resistive silicon (111) substrate for power applications is investigated. Gate connected field plate is used. Maximum dc current density and extrinsic maximum transconductance gm,max are 700mA/mm and 138mS/mm respectively for a gate length (LG) 0.5μm device. To improve high frequency performance, the source to drain spacing is reduced to 4μm and the gate is recessed. The current gain cutoff frequency fT of 28.11 GHz and maximum frequency of available gain fmax of 60 GHz are achieved for a 0.5μm gate length device.
For power characteristics, measurements are performed in continuous-wave (CW) mode at 1.8 GHz using a load-pull system. The transistor delivers a power gain of 13dB, an output power density of 0.83W/mm, and a power-added efficiency PAE of 18.43% when biased at VDS=20V and VGS=-5V in class A operation.


目錄
中文摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 VI
圖目錄 X
表目錄 XVI

第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 氮化鎵材料簡介 3
1-2.1 極化效應 3
1-3 研究動機與文獻回顧 7
1-4 研究方向簡介與論文架構 9
1-4.1 研究方向 9
1-4.2 論文架構 9

第二章 元件設計與量測理論 11
2-1 高頻操作下之參數 11
2-2 S參數之量測 16
2-2.1 儀器校正 17
2-2.2 去嵌入 17
2-3 功率放大器 20
2-3.1 功率放大器簡介 20
2-3.2 功率放大器種類 21
2-3.3 功率附加效率 24
2-3.4 1dB的增益壓縮點之輸出功率 24
2-4 Load-pull之量測 25
2-4.1 輸入、輸出阻抗匹配 25
2-4.2 頻段的選擇 27
2-4.3 實際量測之步驟 27
2-5 高頻高功率元件結構設計 28

第三章 元件光罩設計及製程步驟 29
3-1 試片的結構 29
3-2 第一階段元件光罩設計 30
3-2.1 第一階段元件製作流程示意圖 33
3-2.2 第一階段元件製作步驟與製程結果 36
3-3 第二階段元件光罩設計 45
3-3.1 第二階段元件製程流程示意圖 48
3-3.2 第二階段元件製作步驟與製程結果 51

第四章 元件量測及分析 56
4-1 元件DC量測及分析 56
4-1.1 試片1A元件直流特性 56
4-1.2 試片1B元件直流特性 62
4-1.3 試片2A元件直流特性 66
4-1.4 試片2B元件直流特性 69
4-2 元件高頻S參數量測及分析 74
4-2.1 試片1A元件高頻特性 74
4-2.2 試片1B元件高頻特性 76
4-2.3 試片2A元件高頻特性 77
4-2.4 試片2B元件高頻特性 80
4-3 元件功率特性量測及分析 83
4-3.1 試片1B 1.8GHz Load-pull量測 83
4-3.2 試片2A 3.5GHz Load-pull量測 84
4-3.3 試片2B 3.0GHz Load-pull量測 86
4-4 溫度與電流崩塌對電性之影響探討 88
4-4.1 溫度對電性之的影響 88
4-4.2 Current Collapse對電性之影響 91

第五章 結論與未來工作 93
參考文獻 95


圖目錄
圖1-1 簡單的發射器示意圖 2
圖1-2 (a)立方硫化鋅結構 (b)六方硫化鋅結構 4
圖1-3 氮化鎵以鎵原子與氮原子終結面示意圖 4
圖1-4 AlGaN/GaN材料自發性極化方向示意圖 5
圖1-5 AlGaN/GaN材料壓電極化方向示意圖 6
圖1-6 AlGaN/GaN模擬 (a)能帶示意圖 (b)電子濃度分布圖 6
圖1-7 AlGaN/GaN HEMT的發展史 8
圖2-1 雙埠網路S參數 11
圖2-2 HEMT小訊號電路圖 13
圖2-3 HEMT共源極小訊號電路圖 15
圖2-4 高頻S參數量測之架設示意圖 16
圖2-5 校正與去嵌入後所得之量測平面 17
圖2-6 (a)元件的寄生串聯阻抗與並聯導納示意圖 (b)元件簡化後
示意 (c)open, short簡化示意圖與實際layout 19
圖2-7 Open-short去嵌入之流程圖 20
圖2-8 元件輸入與輸出曲線示意圖 21
圖2-9 不同級別功率放大器的直流偏壓點 23
圖2-10 P1dB功率點之定義 24
圖2-11 Load-pull量測架設示意圖 25
圖2-12 雙埠網路匹配示意圖 26
圖2-13 (a)~(b)邊界效應之影響 (c)~(d)場平板之影響 28
圖3-1 AlGaN/GaN HEMT磊晶結構示意圖 29
圖3-2 GSG探針示意圖 30
圖3-3 第一階段 AlGaN/GaN HEMT元件光罩流程與用途 31
圖3-4 (a)1x1cm2元件layout光罩圖 (b)1個Die的元件layout光罩
圖 (c)AlGaN/GaN HEMT元件layout光罩圖 32
圖3-5 (a)光罩一:黃光及E-Beam對準圖示製作 (b)光罩二:定義
元件Mesa區域 (c)沉積元件鈍化層 (d)電子束微影一:定
義通道閘 (e)光罩三:源極和汲極開洞 (f)光罩三:定義源
極和汲極歐姆接點 (g)電子束微影二:定義閘極金屬區域 
(h)光罩四:定義元件pad金屬區域 33
圖3-6 (a)元件隔離平台蝕刻深度圖 (b)蝕刻後元件俯視圖 37
圖3-7 (a)E-Beam對準圖形位置 (b)E-Beam對準圖形 38
圖3-8 試片的對準畫分 39
圖3-9 (a)E-Beam Dose量測試SEM圖 (b)0.26μm線寬放大圖 39
圖3-10 強制補償偏移 (a)補償前 (b)補償後 40
圖3-11 電子束微影後的元件俯視圖 41
圖3-12 (a) RTA升溫曲線 (b)源極和汲極歐姆接觸金屬燒結後 42
圖3-13 (a)單層PMMA光阻 (b)雙層PMMA光阻 43
圖3-14 兩道E-Beam間的誤差 43
圖3-15 元件閘極蕭基接觸金屬蒸鍍後 44
圖3-16 階段一的元件完成圖 45
圖3-17 第二階段 AlGaN/GaN HEMT元件光罩流程與用途 46
圖3-18 (a) 1x1cm2元件layout光罩圖 (b) 1個Die的元件layout光
    罩圖 (c) AlGaN/GaN HEMT元件layout光罩圖 47
圖3-19 (a)電子束微影一:對準圖示製作 (b)光罩一:製作黃光對準
圖示與定義元件Mesa區域 (c)定義源極和汲極的歐姆接點
(d)元件鈍化層之成長 (e)電子束微影二:定義通道閘極區域
(f)電子束微影三:定義閘極金屬區域 (g)源極和汲極開洞
(h)定義元件pad金屬區域 48
圖3-20 E-Beam對準圖示蒸鍍後 51
圖3-21 (a)ICP蝕刻深度 (b)元件經ICP蝕刻後的俯視圖 52
圖3-22 RTA升溫曲線 53
圖3-23 (a)金屬燒結前 (b)金屬燒結並成長鈍化層後 53
圖3-24 源極到汲極間距 (a) 3.1μm (b) 4.2μm 54
圖3-25 AFM量測recessed深度 54
圖3-26 閘極金屬lift off 55
圖3-27 階段二的元件完成圖 55
圖4-1 試片1A通道長度0.25μm HEMT之IDS-VDS量測曲線 58
圖4-2 Trap現象導致電流大小的變化 58
圖4-3 試片1A通道長度0.25μm HEMT之IDS-VGS量測曲線 59
圖4-4 試片1A通道長度0.25μm HEMT之IDS-VGS量測曲線 60
圖4-5 試片1A通道長度與ID,sat, gm,max的關係圖 60
圖4-6 試片1A通道長度與導通電阻之關係 61
圖4-7 TLM示意圖 62
圖4-8 試片1A TLM量測曲線 62
圖4-9 試片1B通道長度0.5μm HEMT之IDS-VDS量測曲線 63
圖4-10 試片1B通道長度0.5μm HEMT之IDS-VGS量測曲線 64
圖4-11 試片1B通道長度0.5μm HEMT之gm-VGS量測曲線 64
圖4-12 試片1B通道長度與ID,sat, gm,max的關係圖 65
圖4-13 試片1A與1B導通電阻比較 66
圖4-14 試片1B TLM量測曲線 66
圖4-15 試片2A通道長度0.5μm HEMT之IDS-VDS量測曲線 67
圖4-16 試片2A通道長度0.5μm HEMT之IDS-VGS量測曲線 68
圖4-17 試片2A通道長度0.5μm HEMT之gm-VGS量測曲線 69
圖4-18 試片2A與1A、1B導通電阻之比較 70
圖4-19 試片2A TLM量測曲線 70
圖4-20 試片2B通道長度0.5μm HEMT之IDS-VDS量測曲線 71
圖4-21 試片2B通道長度0.5μm HEMT之IDS-VGS量測曲線 72
圖4-22 試片2B通道長度0.5μm HEMT之gm-VGS量測曲線 72
圖4-23 試片2A與2B的通道長度0.5μm的IG-VGS量測曲線 73
圖4-24 試片2A與2B不同源極到汲極間距導通電阻之比較 74
圖4-25 試片2B TLM量測曲線 74
圖4-26 試片1A通道長度0.25μm HEMT ft與fmax量測曲線 75
圖4-27 fT與fmax (a)不同VGS偏壓下 (b)不同VDS偏壓下 76
圖4-28 試片1A不同通道長度的fT與fmax作圖 76
圖4-29 試片1B通道長度0.5μm HEMT ft與fmax量測曲線 77
圖4-30 試片1A不同通道長度的fT與fmax作圖 78
圖4-31 試片2A通道長度0.5μm HEMT ft與fmax量測曲線 79
圖4-32 試片2A不同通道長度與源極到汲極間距ft與fmax的比較 79
圖4-33 試片2A不同通道長度去嵌入前後ft與fmax的比較 80
圖4-34 試片2B通道長度0.5μm ft與fmax量測曲線 82
圖4-35 試片2B去嵌入後通道長度0.5μm ft與fmax量測曲線 82
圖4-36 四片試片通道長度0.5μm HEMT ft與fmax比較 83
圖4-37 固定VDS=8V情況下 (a)輸出功率 (b)功率增益 (c)功率附加
    效率與 (d)固定VGS=-5V對不同VDS的功率特性比較 84
圖4-38 試片1B通道長度1μm HEMT之功率特性曲線 85
圖4-39 固定VDS=8V情況下 (a)輸出功率 (b)功率增益 (c)功率附加
    效率與 (d)固定VGS=-1V對不同VDS的功率特性比較 86
圖4-40 試片2A通道長度1μm HEMT之功率特性曲線 87
圖4-41 固定VDS=8V情況下 (a)輸出功率 (b)功率增益 (c)功率附加
    效率與 (d)固定VGS=-1V對不同VDS的功率特性比較 88
圖4-42 試片2B通道長度0.5μm HEMT之功率特性曲線 88
圖4-43 試片2B通道長度0.5μm HEMT之IDS-VDS溫度變化 90
圖4-44 試片2B通道長度0.5μm HEMT之gm-VDS溫度變化 90
圖4-45 試片2A與2B不同源極與汲極間距下溫度與導通電阻關係
     91
圖4-46 試片2A與2B不同溫度下基板的片電阻值 91
圖4-47 室溫與load-pull量測時的IV特性曲線比較 92
圖4-48 試片2B通道長度0.5μm HEMT stress前後的ID-VDS曲線 93
圖4-49 試片2B通道長度0.5μm HEMT stress前後的ID-VGS曲線 93



表目錄
表1-1 半導體材料特性比較 2
表1-2 不同異質結構材料的2DEG濃度 6
表3-1 階段一1個Die的元件尺寸大小 31
表3-2 黃光光阻旋塗參數 36
表3-3 ICP蝕刻參數 36
表3-4 E-Beam曝寫參數 40
表3-5 雙層PMMA的旋塗參數 44
表3-6 階段二1個Die的元件尺寸大小 47
表4-1 試片1A不同通道長度的HEMT的ID,sat, VT, gm 59
表4-2 試片1B不同通道長度的HEMT的ID,sat, VT, gm 64
表4-3 試片2A不同通道長度與源極到汲極間距的ID,sat, VT , gm 67
表4-4 試片2B與2A的直流電性參數比較 71
表4-5 試片1A不同通道長度的fT與fmax值 75
表4-6 試片1B不同通道長度的fT與fmax值 77
表4-7 試片2A不同通道長度與源極到汲極間距ft與fmax值 79
表4-8 試片2A de-embedding前後ft與fmax值的差異比較 80
表4-9 試片2A與2B通道長度0.5μm HEMT之fT與fmax值 82
表4-10 de-embedding前後ft與fmax值的差異比較 82


參考文獻
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1. 高壓氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體製作與分析
2. 利用閘極掘入方式製作增強型高截止電壓氮化鋁鎵/氮化鎵/氮化鋁鎵金屬-絕緣體-半導體高電子遷移率電晶體之研究
3. 氮化鋁鎵/氮化鎵高電子移導率電晶體製作於矽基板與藍寶石基板之特性比較與應用電路
4. 電場板技術在氮化鋁鎵/氮化鎵高電子移導率場效電晶體之研製與應用
5. 氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率功率電晶體應用於切換式直流對直流升壓轉換器之研究
6. AlGaN/GaN高電子遷移率電晶體(HEMTs)直流電性測試
7. 使用氮化鎢閘極之氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體之高溫應用
8. 氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率場效電晶體元件結構與鈍化方式對高頻率及高功率之特性分析
9. 不同隔離方式與不同種磊晶參數對高壓氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體的影響
10. 深次微米氮化鎵高電子移導率場效電晶體的製程開發與特性研究
11. 氮化鋁鎵/氮化鎵高電子移導率場效電晶體之製作與應用
12. 高頻氮化鋁鎵/氮化鎵與氮化鋁銦/氮化鎵高電子遷移率電晶體之製作與分析
13. 以電漿輔助式分子束磊晶成長應用於高電子遷移率電晶體之氮化鋁鎵/氮化鎵異質結構
14. 氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率場效電晶體特性研究
15. 橫向型高電壓氮化鎵金氧半場效電晶體與氮化銦鎵金氧半場效電晶體之研製