极化库仑场散射与GaN基异质结场效应晶体管源、漏寄生串联电阻关联关系研究

In recent years, GaN based heterostructure field effect transistors (AlGaN/GaN HFETs, InAlN/GaN HFETs, and AlN/GaN HFETs), as the most potential candidates for millimeter-wave Solid-State electronic devices, have attracted widespread attention in the field of Microelectronics. The impact of the access resistance (parasitic series resistance RS and RD) on high-frequency performance for the GaN based heterostructure field effect transistors is severe. Polarization Coulomb field scattering is the important carrier scattering mechanism in GaN based heterostructure field effect transistors. However, no researches related the relation between polarization Coulomb field scattering and the access resistance have been made. The aim of this project is to study the relation between polarization Coulomb field scattering and the access resistance (RS and RD), optimizing material and device structures, and device processing, determining the best ratio for the gate to source and gate to drain spacing and the gate length, reducing the value of RS and RD and restraining the variation of RS and RD with the channel current, greatly improving the high-frequency performance for GaN based heterostructure field effect transistors.

GaN基异质结场效应晶体管（AlGaN/GaN HFETs、InAlN/GaN HFETs和AlN/GaN HFETs)作为能工作在毫米波波段大功率固态电子器件最具潜力候选者，近些年来一直是微电子领域研究热点而备受关注。栅源和栅漏间寄生串联电阻RS和RD对GaN基异质结场效应晶体管高频性能有重要影响。极化库仑场散射是GaN基电子器件重要的载流子散射机制，该散射机制与RS和RD的关联关系还未有研究报道。本项目通过研究确立极化库仑场散射与RS和RD的关联关系，优化材料、器件结构和器件工艺，确立GaN基异质结场效应晶体管栅源和栅漏间距与栅长的最优器件比率 (栅源间距/栅漏间距/栅长），降低RS和RD的大小并抑制RS和RD随沟道电流的变化，显著提升GaN基异质结场效应晶体管高频性能。

GaN基异质结场效应晶体管作为能工作在毫米波波段大功率固态电子器件最具潜力的候选者，其在无线通信、国防和电力电子领域应用前景巨大。GaN基异质结场效应晶体管源和漏寄生串联电阻（RS和RD）对器件性能有重要影响，极化库仑场散射是GaN基异质结场效应晶体管载流子重要的散射机制，研究确定极化库仑场散射与RS和RD关联关系对提升GaN基异质结场效应晶体管性能具有重要意义。. 本项目全面研究了GaN基异质结场效应晶体管极化库仑场散射与RS和RD的关联关系，以及由此产生的对器件电学性能的影响。取得的主要研究结果：确定了极化库仑场散射与RS和RD的关联关系，随栅长与栅源距离比值越大，极化库仑场散射对RS作用和影响越强，随栅长与栅漏距离比值越大，极化库仑场散射对RD作用和影响越强；而栅长与栅源距离和栅长与栅漏距离的比值越小，栅下沟道载流子迁移率受极化库仑场散射作用和影响越强。研究确定了栅宽和栅偏压对RS和RD的作用和影响，随栅宽和栅偏压增大，极化库仑场散射对RS和RD作用影响增强；对应AlGaN/GaN异质结场效应晶体管温度从100 K到500 K，极化库仑场散射对RS、RD和器件性能仍然有重要作用和影响；研究确定了极化库仑场散射对小尺寸GaN基异质结场效应晶体管性能有更重要作用和影响；研究确定了利用极化库仑场散射理论优化材料和器件结构，从器件层级提升GaN功率放大器线性度的方法，这一研究结果具有重要应用意义；研究完善了极化库仑场散射理论，极化库仑场散射理论是源于半导体器件结构中电荷分布不均匀产生对沟道载流子散射的理论，它不仅适用于GaN基异质结场效应晶体管，也可应用于电荷分布不均匀的半导体器件中（这种器件没有考虑电荷分布不均匀对沟道载流子能态的作用），不断建立完善的极化库仑场散射理论可应用于更广泛的半导体器件中，从而使完善的极化库仑场散射理论具有科学意义。