太赫兹时域光谱法测定高电子迁移率晶体管的截止工作频率

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 3.9MB 61 页 15积分

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摘要

近几年中半导体材料生长以及制造技术取得了长足的进步，比如：利用分子

束外延（MBE）等技术生长出新式结构的材料；利用光刻、自对准等制造技术制

作出微纳结构的半导体器件。高电子迁移率晶体管（HEMT）正是由于这些工艺的

成熟而得到飞速地发展，同时因为它具有低噪声系数、高功率增益、高效率以及

高达 W频段工作频率等特点，成为高频毫米波系统和微波系统器件中最具应用前

景的器件之一。为了满足现代工业对器件工作频率的要求，HEMT 器件的工作频

率越做越高。国外很多研究机构，如：日本的 Endoh 团队、德国的 Leuther 团队等

研制出的 HEMT 器件的截止工作频率均已经超过 500GHz。然而在 HEMT 器件频

率不断提高过程中遇到了一个非常棘手的问题：如何方便准确地测量其截止工作

频率。

目前主流探测工作频率的工具为矢量网络分析仪，本文探讨了这种测试方法

的局限性，指出必须寻找到一种新的测量手段来直接测量出 HEMT 器件的真实工

作频率，为了解 HEMT 器件的高频特性以及优化器件性能打下基础，因此本文提

出了一种新的测试方法和测试系统。本文首先介绍 HEMT 器件的工作原理、制备、

直流特性以及频率特性；其次，在理论上解释基于太赫兹技术的 HEMT 器件截止

工作频率的探测原理；然后，搭建太赫兹时域光谱系统，重点介绍系统的各部分

组成装置；接着，通过实验分析在哪些条件下才能测到 HEMT 器件的截止工作频

率，并在该条件下利用太赫兹时域光谱系统记录辐射出的太赫兹波；最后，利用

太赫兹技术波形的半峰宽和截止工作频率的关系，直接推算出 HEMT 器件的截止

工作频率。

利用太赫兹时域光谱法测得的 HEMT 器件截止工作频率与用矢量网络分析仪

所测出的结果相比较，虽然存在一定的差异，但是这种差异具有一定的规律，验

证了该方法和系统的可行性。

关键词：光电子学截止工作频率太赫兹时域光谱飞秒激光

InAlAs/InGaAs 高电子迁移率晶体管

ABSTRACT

In recent years, there has been considerable progress in the fields of semiconductor

materials growth and fabrication techniques. For example, new materials can be grown

by growth techniques such as molecular beam epitaxy, Fabrication techniques such as

lithography and self-aligned techniques can be applied to produce semiconductor

devices of micro-nano structure. Because of these mature technologies, high electron

mobility transistors (HEMTs) have got rapid growth. HEMT has become one of the

most promising devices in the millimeter-wave system and microwave system for its

low noise, high power gain, high efficiency and high working frequency up to W band.

In order to satisfy the requirements of working frequency in modern industry, the cutoff

frequency of HEMT has been made higher and higher. Many foreign research

institutions such as Endoh team in Japan and Leuther team in Germany, have developed

HEMT whose cutoff frequency is above 500GHz. However, while the cutoff frequency

of HEMT is becoming higher and higher, a very difficult problem has appeared that

how we can measure the cutoff frequency easily and accurately.

Nowadays, the vector network analyzer is mainly used in the measurement of

cutoff frequency. This thesis described the limitation of this method, pointed out that it

was necessary to search for a new measurement method to directly measure the real

cutoff frequency of HEMT and lay the foundation for understanding HEMT

characteristics in the high frequency band and optimizing its performance. Therefore,

this thesis proposed a new test method and test system. Firstly, it introduced the

principle, manufacture processes and characteristics of HEMT. Secondly, through

theoretical analysis, the specific principle was explained how THz technology could

measure the cutoff frequency of HEMT. Then, THz spectroscopy (THz-TDS) system

was designed, and all experimental equipments were mainly discussed. Next, through

experimental analysis, it was verified in which conditions the cutoff frequency of

HEMT can be measured. And in these conditions, the terahertz time-domain

spectroscopy technique was used to record temporal waveform of THz electric field.

Finally, the cutoff frequency of HEMT could be directly calculated using the

relationship between FDHM and cutoff frequency.

The cutoff frequency measured by terahertz time-domain spectroscopy was

compared with that measured by vector network analyzer. It was concluded that this

method and system was feasible although there were some differences which had a

certain rule.

Key Words: optoelectronics, cutoff frequency, terahertz time-domain

spectroscopy (THz-TDS), femtosecond laser, InAlAs/InGaAs HEMT

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论................................................................................................................1

§1.1 HEMT 器件的发展、优势以及应用前景..................................................... 1

§1.2 工作频率测量的现状.....................................................................................2

§1.2.1 二端口网络..............................................................................................2

§1.2.2 S 参数....................................................................................................... 3

§1.2.3 矢量网络分析仪......................................................................................5

§1.3 本文的研究内容及意义.................................................................................8

§1.4 本文的主要工作.............................................................................................9

第二章 HEMT 器件基本原理................................................................................... 11

§2.1 HEMT 器件的结构和工作原理................................................................... 11

§2.2 HEMT 器件的制备....................................................................................... 13

§2.2.1 分子束外延生长技术............................................................................13

§2.2.2 制备过程................................................................................................13

§2.3 HEMT 器件直流特性介绍........................................................................... 14

§2.4 HEMT 器件频率特性介绍........................................................................... 15

§2.5 本章小结.......................................................................................................16

第三章基于太赫兹时域光谱法的 HEMT 器件截止工作频率的探测原理.......... 17

§3.1 太赫兹波简介...............................................................................................17

§3.2 HEMT 器件产生太赫兹辐射的理论基础................................................... 17

§3.3 探测原理........................................................................................................18

§3.4 本章小结.......................................................................................................19

第四章太赫兹时域光谱系统....................................................................................21

§4.1 太赫兹时域光谱技术介绍...........................................................................21

§4.2 太赫兹时域光谱系统的各部分装置...........................................................22

§4.2.1 飞秒激光器............................................................................................22

§4.2.2 半导体电学参数测试系统....................................................................22

§4.2.3 THz 发射装置........................................................................................ 24

§4.2.4 THz 收集装置........................................................................................ 26

§4.2.5 THz 探测装置........................................................................................ 26

§4.2.6 时间延迟控制装置................................................................................28

§4.2.7 锁相放大器............................................................................................28

§4.2.8 数据采集软件........................................................................................29

§4.3 太赫兹时域光谱系统的总体设计...............................................................29

§4.3.1 太赫兹时域光谱系统的方案设计........................................................29

§4.3.2 太赫兹时域光谱系统的搭建................................................................30

§4.4 数据采集系统...............................................................................................32

§4.4.1 LabVIEW 简介.......................................................................................32

§4.4.2 数据采集系统的控制程序....................................................................33

§4.5 本章小结.......................................................................................................42

第五章基于太赫兹时域光谱法的 HEMT 器件截止工作频率的测量.................. 43

§5.1 实验分析太赫兹时域光谱法测量 HEMT 器件截止工作频率的条件..... 43

§5.1.1 HEMT 器件输出特性测试.................................................................... 43

§5.1.2 激光照射前后 HEMT 器件直流特性变化的测试.............................. 44

§5.1.3 HEMT 器件转移特性测试.................................................................... 45

§5.1.4 HEMT 器件跨导特性测试.................................................................... 46

§5.1.5 HEMT 器件温度特性测试.................................................................... 47

§5.1.6 太赫兹时域光谱法测量 HEMT 器件截止工作频率的条件.............. 48

§5.2 HEMT 器件截止工作频率的测试............................................................... 48

§5.3 HEMT 器件截止工作频率测试的实验结果分析....................................... 49

第六章总结与展望....................................................................................................51

§6.1 本论文的主要结论.......................................................................................51

§6.2 对未来工作的展望.......................................................................................51

参考文献......................................................................................................................53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果..........................................57

致谢..............................................................................................................................58

第一章绪论

§1.1 HEMT 器件的发展、优势以及应用前景

1950年Shockley成功研制出结型场效应晶体管FET[1]，并因此获得了1956年的

诺贝尔物理学奖，从此晶体管得到了世人的瞩目，成为了半导体器件领域中不可

或缺的一个分支。基于化合物半导体（如：GaAs，InP）的晶体管器件大致经历了

从场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）[2]到金属半导体场效应晶体管

（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor，MESFET）[3]再到高电子迁移率晶体

管（High Electronic Mobility Transistor，HEMT）[4]的演变过程。1967年，Turner

团队采用扩散栅极结构，首次成功制作出GaAs-FET，在此基础上，利用新兴的外

延生长技术在半绝缘GaAs衬底上，成功制作出了低噪声系数、小信号增益的晶体

管，加快了GaAs材料器件的研制工作。在1971年，Turner团队制成栅长为lµm的GaAs

MESFET，其振荡频率达到18GHz以上。随后在1974年的国际电子器件会议上，日

本富士通公司宣布成功制出了10GHz、0.7W的GaAs MESFET，其最高振荡频率达

到50GHz，首次突破微波及毫米波的低频段(<40GHz)。但是GaAs MESFET由于本

身结构特性的限制而不能作为高工作频率和低噪声的振荡源，为此人们发展了高

电子迁移率晶体管（HEMT）器件。

HEMT器件的核心结构为异质结结构，因此对于器件的研究主要集中在对异质

结材料的研究上。Dingle等人在1978年首次提出了在超晶格匹配AlGaAs/GaAs异质

结中存在二维电子气，能引起电子迁移率的激增[5]。在这之后，基于超晶格匹配异

质结的HEMT器件得到了非常迅猛的发展。虽然AlGaAs/GaAs是第一个用于HEMT

器件的异质结材料，并表现出非常高的性能，但是为了更大幅度地提高器件的性

能，许多新的异质结材料被用来制作HEMT器件。1986年，In0.15Ga0.85As/GaAs异质

结被运用在HEMT器件上，其性能远远超出了传统AlGaAs/GaAs HEMT。之后又出

现了InP基InAlAs/InGaAs HEMT器件和AlGaN/GaN HEMT器件，都展现出更好的

噪声系数和更高的工作频率，成为现在主流的材料。在寻求材料改进的同时，半

导体材料生长技术以及制造技术也取得了飞速的进步，比如：分子束外延、化学

气相沉积和电子束光刻等半导体工艺的成熟为制造出更新、更小结构的半导体器

件打下了坚实的技术基础。高电子迁移率晶体管（HEMT）正是由于材料的优化以

及制作加工工艺的成熟而得到飞速的发展。最近德国的Leuther团队利用分子束外

延技术在GaAs衬底上生长出InAlAs/InGaAs异质结，并且利用光刻等先进工艺制作

出栅长仅为20nm的HEMT器件，该HEMT器件的截止工作频率能达到660GHz，而

且噪声系数在120GHz-150GHz工作频率时能低于4dB[6]，这是目前报道过的具有最

太赫兹时域光谱法测定高电子迁移率晶体管的截止工作频率

高截止工作频率的HEMT器件。

目前国内主要有中国科学院微电子研究所、中国科学院半导体研究所、西安

电子科技大学和天津大学等单位在进行HEMT器件的研究。因为国内对HEMT器件

的研究起步比较晚，所以和国际上仍存在一定的差距，但是由中国科学院微电子

研究所张海英所领衔的“新一代化合物半导体电子器件与电路研究”973项目组通

过多年的科学研究[7~9]，成功自主研发出频率超过200GHz（最高达到218GHz）的

InP基HEMT晶体管，且具有较低的噪声系数[10]，这是迄今为止国内报道的截止工

作频率最高的HEMT器件。该HEMT晶体管的成功研制为国内研制新一代的微波、

毫米波无线通信用电路以及最新的单片微波集成电路（Monolithic Microwave

Integrated Circuit，MMIC）打下了基础。

HEMT器件由于具有极高的截止工作频率和极低的噪声系数，特别适用于微

波、毫米波频段。目前，HEMT器件不仅广泛应用于卫星通讯、雷达系统、精确激

光制导等军事领域，还在无线通信系统、光通信系统、毫米波数字广播、仪器与

测量和高速数字电路等民用领域中展现出良好的应用前景。

§1.2 工作频率测量的现状

目前，主流探测工作频率的工具为矢量网络分析仪。本节主要介绍了二端口

网络、S参数以及矢量网络分析仪的工作原理，指出矢量网络分析仪测量频率特性

的局限性，所以必须寻找到一种新的测量手段来直接测出 HEMT 器件的真实截止

工作频率，为了解 HEMT 器件的高频特性以及优化器件性能打下基础。

§1.2.1 二端口网络

HEMT 器件可表示为一个二端口网络，如图 1-1。这个网络有两个端口，分别

为端口 1和端口 2，其中有四个参数，分别为：电压 V1、V2，电流 I1、I2，将其中

的两个作为自变量，其余两个作为应变量，就可以得到不同的网络参数，比如 H

参数。

—

端口 1

端口 2

图1-1 二端口网络

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摘要：

摘要近几年中半导体材料生长以及制造技术取得了长足的进步，比如：利用分子束外延（MBE）等技术生长出新式结构的材料；利用光刻、自对准等制造技术制作出微纳结构的半导体器件。高电子迁移率晶体管（HEMT）正是由于这些工艺的成熟而得到飞速地发展，同时因为它具有低噪声系数、高功率增益、高效率以及高达W频段工作频率等特点，成为高频毫米波系统和微波系统器件中最具应用前景的器件之一。为了满足现代工业对器件工作频率的要求，HEMT器件的工作频率越做越高。国外很多研究机构，如：日本的Endoh团队、德国的Leuther团队等研制出的HEMT器件的截止工作频率均已经超过500GHz。然而在HEMT器件频率不断提高过...

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