研究目的
开发和表征适用于5G移动终端正栅偏压工作的氮化镓金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMT）及功率放大器单片微波集成电路（MMIC），旨在实现常关态工作以降低电路复杂度和系统成本。
研究成果
采用部分凹陷栅结构的氮化镓MIS-HEMT成功将阈值电压从-7V偏移至-1.0V，实现了正栅偏压下的工作。所制备的功率放大器单片微波集成电路在26-28GHz频段达到29.5dBm输出功率、11dB增益和11%功率附加效率，虽未实现完全增强模式工作，但仍展现出5G移动应用的潜力。未来工作应聚焦于优化栅极凹陷结构和介质材料以实现全增强模式特性。
研究不足
增强型工作模式未能完全实现，阈值电压偏移至-1.0V而非正值。由于器件特性变化以及MIM电容从Si3N4变为Al2O3导致的参数改变，引发了失配问题，进而造成性能退化。功率附加效率(PAE)和增益均低于仿真值。
1：实验设计与方法选择：
本研究通过采用栅极凹槽技术和Al2O3栅绝缘层设计并制备了GaN MIS-HEMT器件，以实现阈值电压偏移从而支持正栅偏压工作。该MMIC采用Angelov-GaN模型和电磁仿真设计为两级放大器。
2：样品选择与数据来源：
AlGaN/GaN异质结构通过金属有机化学气相沉积法生长于4英寸半绝缘SiC衬底上。器件制备采用ETRI的0.15微米GaN MIS-HEMT工艺技术。
3：15微米GaN MIS-HEMT工艺技术。 实验设备与材料清单：
3. 实验设备与材料清单：设备包括电子束蒸发仪、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统、感应耦合等离子体(ICP)系统、等离子体增强原子层沉积(PEALD)系统、电子束光刻系统、网络分析仪(Agilent PNA-X)及软件(IC-CAP、Keysight ADS)。材料包含用于欧姆接触的Ti/Al/Ni/Au、氮化硅、Al2O3、PMMA光刻胶、TMAH溶液、用于栅电极的Ni/Au、电镀用Au以及电阻用NiCr。
4：PMMA光刻胶、TMAH溶液、用于栅电极的Ni/Au、电镀用Au以及电阻用NiCr。 实验流程与操作步骤：
4. 实验流程与操作步骤：制备过程包括欧姆接触形成、离子注入隔离、氮化硅沉积、栅极图形化与凹槽刻蚀、TMAH表面处理、Al2O3沉积、栅电极形成、背面通孔定义及MMIC组装。测试包含直流特性表征、S参数测量及功率性能评估。
5：数据分析方法：
采用IC-CAP程序进行模型提取，Keysight ADS进行仿真。测量并对比了阈值电压、跨导、漏电流、截止频率、最大振荡频率、输出功率、增益及功率附加效率等射频性能参数与仿真结果。
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network analyzer
PNA-X
Agilent
Used for S-parameter measurements and model extraction in the frequency range up to 50 GHz.
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software
IC-CAP
Agilent
Used for extracting the Angelov-GaN model for the GaN MIS-HEMT device.
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software
ADS
Keysight
Used for MMIC design and simulation, including electromagnetic simulations.
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ICP system
Used for plasma etching processes, such as silicon nitride etching and gate recess etching.
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PECVD system
Used for depositing silicon nitride layers with specific gas flow rates and temperature.
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PEALD system
Used for depositing Al2O3 gate dielectric layers with a specific deposition rate and cycle.
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e-beam lithography system
Used for defining gate patterns with specific accelerating voltage and resist thickness.
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TEM
Used for imaging the fabricated device structure.
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