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《中国科学院上海冶金研究所》 2001年
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赝配高速电子迁移率晶体管及其微波单片集成电路研究

李洪芹  
【摘要】: 随着微波通讯技术的发展,人们对通讯系统的要求越来越高,如小型 化、可靠性,而现行的雷达、通信、警戒等系统大部分使用混合集成电路, 因此越来越不适应仪器系统的发展要求,用微波、毫米波单片集成电路取 代混合集成电路已成为必然。而pHEMT MMIC无论是在频率、功耗还是 在噪声等方面都具有其它MMIC无法比拟的优点,使之成为微波、毫米波 单片集成电路和超高速数字集成电路领域中最有竞争力的有源器件之一。 本论文报道了“pHEMT及其微波单片集成电路研究”工作,主要研究内容 摘要如下: 1.详细介绍了高电子迁移率晶体管从HEMT到pHEMT再到InP基 HEMT的发展演变历史,总结了HEMT在卫星通信、汽车雷达、光纤通信 等备种微波、毫米波系统中的应用。通过大量的文献综述分析,并根据本 人所在研究室的实际情况,提出了自己的研究课题。 2.对MESFET与pHEMT进行了详细的比较,介绍了pHEMT二维电 子气的形成机理;根据文献调研,从数学物理结构模型出发,总结了pHEMT 材料结构与二维电子气浓度的关系,描述了pHEMT的电流—电压、电容 —电压以及小信号特性。 3.材料生长、CAD技术以及pHEMT工艺均对pHEMT MMIC的成品 率产生直接影响。但鉴于工艺条件限制,本文将重点放在对pHEMT工艺 的研究上。对pHEMT MMIC典型工艺制作技术如台面隔离技术、电极形 成技术、光刻技术、金属剥离技术、钝化技术以及栅凹槽的选择性湿法腐 蚀技术进行了研究,同时将“多层材料结构的选择性湿法腐蚀技术”以及 “氮化硅钝化保护工艺对pHEMT性能的影响”作为专题,进行详细研究 探讨,研究结果如下: ·开展了“pHEMT多层材料结构(GaAs/AlGaAs/InGaAs)栅凹槽的选 择性湿法腐蚀”研究,通过优选确定了一种既实用又方便的腐蚀液体系。 最理想的腐蚀条件为,柠檬酸∶双氧水∶水=3∶1∶100。在室温25℃时,该条 赝配高电子迁移率晶体管及其微波单片集成电路研究 下对 GaAs的腐蚀速率为 5埃/秒,对 AIGaAs的腐蚀速率为 0* 4埃/秒,选 择比约为36左右。 ·深入研究了“ PECVD生长的 Sffox钝化膜厚度对 AIGaAS/lnGaAS地aAS pHEMT器件电性能的影响”,其结果为: ()pHEMT器件的截止频率总的趋势是随着氮化硅钝化膜厚度的增 加而呈指数关系下降,但下降曲线明显分成两段,在膜厚0.Zpin附近有一 个拐点。当膜厚低于 0.Zpth时,截止频率满足关系式:fT(d)叫3.5 e丁;当 膜厚高于 0.ZHth时,截止频率满足关系式:以d)=1.8 e‘\ Q)当膜厚超过0.Zptti时,由于PECVD生长的SWx钝化膜内部以 及膜与GaAs界面形成应力足够大,随着时间的迁移,此应力集中并逐渐 被释放,导致pHEMT器件失效。 4.低噪声pHEMT在微波、毫米波系统中具有重要作用,通过对文献 进行总结,介绍了低噪声pHEMT的电学设计和结构设计方法;全面系统 的推导了pHEMT小信号等效电路中串联电阻、寄生电感、寄生电容和本 征参数的提取方法,并通过实际器件的参数提取对该方法进行验证。结果 表明,该方法简单有效,具有可操作性。 5.系统的介绍了微波单片集成电路无源元件与输入、输出匹配网络的 基本形式。结合实例,介绍了pHEMT直流与交流特性的分析与测试方法。 用 EESOF TOUCHSTONE软件进行电路模拟设计,并工艺制备了“9.SGHz 低噪声单片集成放大电路”。芯片面积约为Zmm”3nun,在中心频率frg.SGHz 时,”1一0阳,幻1—一15阳,幻2。一20阳,在子一130Hi范围内,钻1>25“, Sll与 522小于一 15dB。
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