【氮化镓】缓冲层结构对GaN HEMT射频性能的影响

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【Effect of different layer structures on the RF performance of GaN HEMT devices】

研究总结：

本研究探讨了不同缓冲层结构对氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）射频性能的影响。通过对比三种不同缓冲层结构的GaN HEMT设备，研究了缓冲层质量和陷阱效应对射频增益的影响。实验采用了详细的直流和脉冲IV测量，以及温度依赖的低频S参数测量，来评估缓冲层陷阱的激活能。研究结果表明，低掺杂碳（C）的缓冲层显示出更好的射频性能，并且较薄的缓冲层结构能够减少陷阱的影响，从而提高设备性能。

研究背景：

氮化镓（GaN）作为一种宽带隙材料，因其高电子迁移率、高饱和速度和高击穿电场等特性，在高频（RF）应用中具有广泛的应用前景。然而，GaN HEMT设备在射频性能上受到陷阱效应的限制，这些陷阱效应会导致二维电子气（2DEG）密度的变化，进而影响设备的输出电流、膝部电压和动态导通电阻等性能。

研究目的：

本研究旨在通过比较不同缓冲层结构的GaN HEMT设备，理解不同外延结构对射频性能的影响，并探究陷阱效应对设备性能的具体影响机制。

实验方法：

研究中使用了三种不同缓冲层结构的GaN HEMT设备，分别为：仅有2微米GaN缓冲层的设备A、具有2微米GaN和额外200纳米GaN层的设备B，以及仅有200纳米GaN层的设备C。通过直流和脉冲IV测量来研究陷阱效应对设备性能的影响，并通过温度依赖的S参数测量来评估缓冲层陷阱的激活能。此外，还利用S参数提取了设备的等效电路模型参数。

研究结果：

实验结果显示，设备A的最大饱和电流低于设备B和C，且设备A的陷阱效应更为显著。通过脉冲IV测量，发现设备A的电流崩溃、膝部电压偏移和动态导通电阻的变化更为严重。温度依赖的S参数测量揭示了设备A中0.8电子伏特的深陷阱，而设备B和C中陷阱的激活能较低，分别为0.46和0.47电子伏特。

结果解释：

研究结果表明，低掺杂碳的缓冲层能够减少陷阱效应，从而提高射频性能。设备C的高性能表明，使用高质量的GaN2层可以减少缓冲层中的陷阱数量，而较薄的缓冲层结构有助于降低陷阱效应，从而提高设备的整体性能。

研究的创新点和亮点：

本研究的创新之处在于通过对比不同缓冲层结构的GaN HEMT设备，揭示了缓冲层质量和陷阱效应对射频性能的具体影响。此外，通过温度依赖的S参数测量，首次对不同结构的缓冲层陷阱的激活能进行了定量分析，为理解和改善GaN HEMT的射频性能提供了新的视角。

研究的意义和应用前景：

本研究对于优化GaN HEMT设备的设计和制造具有重要意义，特别是在提高射频性能方面。通过选择适当的缓冲层结构和控制掺杂水平，可以有效减少陷阱效应，从而提高设备的功率输出和效率。这对于发展高性能的射频通信系统、雷达和其他相关应用具有重要的实际应用价值。此外，研究结果还为未来GaN HEMT材料和器件的研究提供了重要的参考依据，有助于推动相关技术的进步和创新。