铌酸钾钠基无铅铁电半导体高电子迁移率晶体管材料制备及性能研究

GaN-based high electron mobility transistor(HEMT) is the most promising candidate for the field of high frequency microwave, high temperature,high breakdown voltage,high power,resist radiation.The operating voltage property of GaN HEMT can be enhanced by exploring ferroelectic thin film as its gate dielectric.The two-dimensional electron gas can be controlled by ferroelectric polarization in order to obtain the advantages of high speed, resist radiation, non-Volatilization. Using lead free KNaNbO3(KNN) in stead of wildly used PbZrTiO3 accords with the demands sustainable development.In this project, the KNN ceramic target with high ferroelectric,dielectric properties will be synthesized by conventional solid-state reaction, the KNN thin film gate will be grown on GaN HEMT by pulsed laser deposition.The C-V,I-V,P-E and frequence dependence will be investigated.The relation between the properties of device and the quality of KNN gate, surface,interface will be analysed.The results will provide the theory fundmental and experiment guidence for new type ferroelectric field effect transistors.

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)是高频微波、高温、高压、大功率、抗辐射领域的理想选择。以铁电薄膜作为GaN高电子迁移率晶体管的栅极，可利用其高介电性能改善GaN基晶体管的工作电压特性，利用其高铁电极化性能控制HEMT的二维电子气，更充分发挥铁电场效应晶体管的高速度、抗辐射、非挥发性等优点。而以环境协调性无铅KNaNbO3（KNN）基铁电体代替传统广泛使用的PbZrTiO3作为栅极材料,符合目前可持续发展的要求。本项目利用传统固相烧结技术制备出高铁电性、高介电性的KNN基陶瓷靶材，利用脉冲激光沉积技术在GaN HEMT外延片上生长缓冲层及KNN薄膜栅极材料，研究该新型微电子器件的电容-电压特性、电流-电压特性、极化-电压特性和频率特性，探讨其特性同KNN薄膜栅极材料的晶体质量，表面和界面成分及质量等因素的关系，为该新型器件的开发和应用提供理论基础和实验依据。

以铁电薄膜作为高电子迁移率晶体管的栅极，可利用其高介电性能改善晶体管的工作电压特性，利用其高铁电极化性能控制HEMT的二维电子气，更充分发挥铁电场效应晶体管的高速度、抗辐射、非挥发性等优点。而以环境协调性无铅KNaNbO3（KNN）基铁电体代替传统广泛使用的PbZrTiO3作为栅极材料,符合目前可持续发展的要求。通过Li部分取代A位的K元素来达到提高KNN陶瓷退极化温度的目的，选定 (Na0.5K0.5-xLix)NbO3（x = 0.055 ~ 0.07）作为高退极化温度KNN基陶瓷材料基方。所制备的陶瓷在x=0.065时性能最佳，其室温下主要性能参数为：d33 = 205 pC/N, kp = 46.1%, Td ~ 480℃。定量讨论Ta5+取代量对陶瓷综合性能的影响，形成[(K0.50Na0.50)0.94Li0.06][(Nb0.94Sb0.06)1-xTax]O3 + 0.08 mol%MnO2 (KNLNSTx+Mn, 0 ≤ x ≤ 0.10) 系列，得出Ta5+取代量x在0.05 ~ 0.08之间时，陶瓷综合性能较佳。通过系统研究Fe2O3掺杂量对铌酸盐陶瓷性能的影响，得出掺杂0.20 mol%Fe2O3时，铌酸盐陶瓷的电学性能最佳，d33 = 306 pC/N, kp = 47.0%, = 1483, tan δ = 0.0230，k31 = 0.316，Nr = 3008.3 Hz·m，首次系统研究了铌酸盐陶瓷的高耐压及高机械强度的特性。该体系材料的耐压性能在同等条件下明显优于现有报道的其它介电陶瓷的耐压值，在20 ~ 25 ℃环境中，耐压场强Eb = 23.0 ~ 24.0 kV/mm，设计一款基于GaN HEMT的S波段Doherty功率放大器（DPA）。主放大器是采用GaN HEMT设计的AB类功放，辅助放大器是GaN HEMT 的C类功放。利用ADS对电路进行仿真，单音测试结果表明，DPA工作频率在2.3~2.4 GHz，输入功率为29 dBm时，工作增益不小于14 dB，输出功率大于43 dBm，功率附加效率超过65%。分析了辅助放大器偏置电压对DPA性能的影响，偏置电压变小，DPA的效率和线性度较好。