GaN工藝器件及制備流程介紹的分析
氮化镓HEMT器件具有獨特的寬禁帶特性，非常适合射頻和高功率應用。在毫米波頻段，氮化镓材料的特性使大功率、高效率功放成為可能，氮化镓功率放大器單片微波內建電路(MMIC)是目前研究的熱點，而工藝的好壞直接決定了設計的上限，是以設計初期必須對工藝的性能進行仔細分析。
本文詳細介紹了氮化镓基工藝的工作機理，然後介紹了所選用的工藝并對重要參數進行測試表征，為整體電路的架構設計提供了初始參考。
GaN HEMT結構：氮化镓高電子遷移率半導體(HEMT)是三端器件，分别為栅極(Gate)、漏極Drain)和源極(Source)，生長在半絕緣的SiC底上，一般還包括成核層、緩沖層、插入層、勢壘層和鐘化層等結構。GaN HEMT 剖面示意圖如圖1所示。
源、漏兩級通過高溫退火工藝使其歐姆接觸阻值減小，電荷可以在形成的通路間定向移動。栅極則作為控制端，可以改變HEMT器件的通斷狀态以及輸出電流的幅度。
用作GaN HEMT器件襯底的材料主要分為Si和SiC，通常也以此劃分GaN功率MMIC工藝類别。Si基材料工藝成熟，制造成本相對較低，但是和GaN材料間存在較為嚴重的晶格失配和熱失配，且熱導率不好，難以滿足HEMT器件在大功率工作環境下的散熱問題。
SiC是目前的主流襯底材料，具有很好的散熱特性，和GaN的晶格失配、熱膨脹失配小，熱損小，可以使功率器件效率提高，但是相比于Si基材料制造成本較高。
盡管Sic與GaN間失配小，但不能忽略，必須引入AIN形核層消除其晶格應變。AIGaN勢壘層和GaN溝道之間的薄AIN插入層可以降低溝道導通電阻，并且由于合金散射的減少以及 AIGaN/GaN界面處較大的導帶不連續性導緻片電荷增加可以提高HEMT的電子遷移率。
SiN鐘化層可以有效避免電流崩塌對器件造成的損壞。
本文使用的HEMT器件剖面圖示例如圖2所示，該結構通過有機化學沉澱的形式按照工藝順序生長在半絕緣的碳化矽襯底上。
器件的栅長直接決定了其工作頻率特性，0.15um栅長工藝的适用頻率範圍可以滿足本文Ka 波段的設計。
直流特性是HEMT器件的基礎，也是功率MMIC設計的前提。通過器件的直流特性曲線，可以表征其輸出功率的能力、電流對輸入的響應以及工作的闖值等特性。本文選取4x50um的 HEMT器件進行了基本的直流特性仿真，仿真原理圖如圖3所示。
NP15工藝提供了内源型ISV和外源型OSV兩種HEMT器件，兩種類型輸出特性接近，在布版時需要根據整體電路布局靈活選擇。
在ADS中調用FET CurveTracer直流掃描模闆，将漏壓掃描範圍設定為0到30V，步進為0.5V，栅壓掃描範圍設定為-3.5到+1V，步進為1V，分别對兩種管芯進行直流掃描。得到管芯I-V特性曲線如圖4所示。
通過計算可以得出器件機關栅寬的漏極輸出電流。可以看到進入飽和區之後随着漏極偏置電壓的進一步增大，輸出電流有較明顯的衰減，這是由于半導體的自熱效應造成的。
根據上一章中對功率放大器分類和靜态工作點的介紹，結合廠商提供的模型手冊中的建議，将管芯的靜态工作點標明為漏壓偏置28V，栅壓偏置-1.5V使放大器工作在AB類，便于同時滿足本文對放大器輸出功率和功率附加效率的名額要求。HEMT 器件的轉移曲線如圖5所示。
在漏極偏置點壓固定為28V的測試條件下，得到了漏極電流Ids、跨導Gm随栅極偏置電壓的變化曲線。通過Id-Vg曲線可以看出，HEMT器件的工作值電壓為-2.0V，并且漏極電流密度随栅壓增大不斷增大。
跨導可以表示栅極對溝道電流的控制能力，由Gm-Vg曲線得出器件的最大跨導為390mS/mm，此時對應的栅壓為-1.5V。
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