InP基HEMT器件及毫米波单片放大电路研究

【摘要】InP基高电子迁移率晶体管（HEMT）具有电子迁移率高、噪声低、功耗低及增益高等特点，是毫米波段最具竞争力的半导体器件之一，在高速、高频等应用领域中占据着重要的地位。本文重点围绕InP基HEMT器件关键工艺、器件制备、单片集成电路设计等方面展开工作，取得的主要研究成果如下：1.开发了InP基HEMT器件关键工艺：A)通过PMGI/ZEP520A/PMGI/ZEP520A自对准曝光工艺，成功开发出69nm栅线条，避免了两次曝光套刻偏差、减少了曝光时间并提高了抗干法刻蚀能力；B)采用Ti/Pt/Au非合金欧姆接触金属，保证了良好的热稳定性和光滑平整的表面形貌，欧姆接触电阻Rc为0.058Ω·mm；C)开展了InP基HEMT器件功能材料腐蚀和刻蚀实验：调节丁二酸腐蚀溶液配比，实现了InGaAs帽层材料与InAlAs势垒层材料腐蚀选择比大于100；ICP低速低损伤刻蚀InP腐蚀截止层工艺，保证了横向上InP材料对器件的大面积保护及纵向上薄栅沟间距对跨导的有利影响。2.对关键工艺进行整合，在自行设计的晶格匹配型外延材料上，研制出高性能InP基HEMT器件，基本满足W波段MMIC设计要求。不带InP截止层HEMT器件，电流增益截止频率(fT)为150GHz，最高振荡频率(fmax)为201GHz；带InP截止层HEMT器件，钝化前：fT=164GHz，fmax=389GHz；钝化后：fT=135GHz，fmax=325GHz。3.在InP基HEMT器件工艺的基础上，建立了整套MMIC工艺流程。MMIC整套工艺中集成了InP基HEMT晶体管、TaN薄膜电阻、Si3N4MIM电容、CPW传输线和空气桥，完全满足毫米波集成电路的设计与制作。4.根据工艺实验和测试数据结果，分析了横向栅槽腐蚀宽度和钝化工艺对器件交直流特性的影响，从理论上对器件工艺的优化进行指导；其次分析了栅宽对器件增益和功率特性的影响，并对器件频率和噪声性能随着器件偏置的变化关系进行分析，为电路设计挑选出最佳器件尺寸和偏置。5.采用原理图与电磁场联合仿真的方法设计了一款W波段单级LNA和一款两级Cascode放大器，并利用开发的InP基HEMTMMIC工艺流程进行流片、测试。W波段单级LNA芯片面积为900μm×975μm,Gain=15.2dB@95GHz，NF=4.3dB@87.5GHz，Psat,out=8.05dBm@88GHz。W波段Cascode放大器芯片面积为1.85mm×0.932mm,Gain=26.2dB@106GHz。级间采用叉指电容进行耦合，提高了电路稳定性。两款MMIC的研制成功，表明了所开发的InP基HEMT工艺对W波段电路的应用潜力。
【作者】钟英辉；
【导师】张玉明；
【作者基本信息】西安电子科技大学，微电子学与固体电子学，2013，博士
【关键词】InP基HEMT器件；欧姆接触；T型栅；栅槽腐蚀；低噪声放大器；

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