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  无线通信业的飞速发展导致对其中所用功放元件工作频率的要求越来越高。对GaN基HEMT器件而言,栅长是影响器件频率特性的主要因素之一。半导体工艺尺寸的不断减小使得器件栅长也变得越来越小,器件频率特性得到了明显的提升。但是随着器件栅长持续地降低,器件会逐渐表现出短沟道效应,即器件栅长的一味缩小会出现一些额外的附加效应。为了研究栅长变化对GaN HEMT低温性能的影响,本文分别针对栅长Lg=1µm、3µm、5µm、13µm和20µm进行测试,除栅长呈逐步递增趋势外,这五组器件的其余结构参数分别为:栅宽100µm,栅、源间距3µm,栅、漏距离3µm。
 
  图1(a)和(b)分别给出了120K和300K温度下不同栅长GaN HEMT器件输出曲线,对比左右两图首先可以看到,在栅长和偏压一定的条件下,低温下的输出电流大于室温情况,并且,低温下输出曲线表现出更加明显的电流崩塌现象,特别是对于大栅长器件而言。再者,从左图可以看出,当器件栅长较小时,栅长增大所引起输出电流减小量在T=300K明显大于T=120K。为了更加明确地观察不同栅长AlGaN/GaN器件输出电流在T=120K和T=300K下的变化,图2给出了Vg=2V时这两个温度点下最大饱和电流随器件栅长的变化曲线。
(左a)T=120K不同栅长器件输出曲线 (右b)T=300K不同栅长器件输出曲线  
图1 (左a)T=120K不同栅长器件输出曲线 (右b)T=300K不同栅长器件输出曲线
最大饱和电流随器件栅长变化曲线  
图2 最大饱和电流随器件栅长变化曲线
 
  除了输出特性,转移和跨导特性在研究GaN基HEMT器件时也是必不可少的。这里选取77K和300K这两个温度点进行对比分析。图3中依次给出了在偏压Vd=10V的情况下,T=77K以及室温下测试得到的不同栅长器件的转移曲线和跨跨导曲线。将图3(b)和3(d)进行对比可以看到,对于栅长一定的器件,T=77K时的跨导明显大于室温下,即器件的栅控能力在低温下得到了很大的提升。再者,从中提取出的最大跨导随栅长的变化曲线如图4所示,从中可以明显看到,77K下的跨导峰值近似为300K的两倍。另外,利用前面讲到的提取阈值电压的方法,我们可以从图3中得到不同栅长器件的阈值电压,如图5所示。从图中可以看到,无论是低温下还是室温条件下,随着器件栅长的增加,阈值电压基本都呈正漂趋势,其中T=300K,Lg=3µm时阈值电压的负漂主要跟实验误差有关。
不同栅长器件转移和跨导曲线  
图3 不同栅长器件转移和跨导曲线
最大跨导随器件栅长变化曲线  
图4 最大跨导随器件栅长变化曲线
阈值电压随器件栅长变化曲线  
图5 阈值电压随器件栅长变化曲线
 
  最后,对77K和300K下的栅电流进行了测试,结果如图6所示。对比(a)、(b)两图可以看到,当栅极所加偏压小于0V时,77K下的栅漏电比室温下小不止一个数量级。同时,随着器件栅长的增加,左右两图中的栅极反偏电流都表现出先增大后减小的变化规律,并且在Lg=8µm时出现了最大值。
(左a)T=77K不同栅长器件栅电流曲线 (右b)T=300K不同栅长器件栅电流曲线  
图6(左a)T=77K不同栅长器件栅电流曲线 (右b)T=300K不同栅长器件栅电流曲线

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