1. 研究目的与意义
1.1研究背景
英国科学家法拉第（MIChael Faraday），在1833年发现一种半导体材料——硫化银。1978年R.Dingle首次在MBE (分子束外延)生长的调制掺杂GaAs/AlGaAs超晶格中观察到了相当高的电子迁移率。日本富士通公司的三村于1980年研制出了HEMT,上世纪80年代HEMT成功的应用于微波低躁声放大领域，在高速数字IC方面取得跨越式突破。
电力转换的重要部件之一是功率器件,影响电力转换效率的关键因素取决于其性能。经60年的发展的硅基功率器件逐渐无法满足功率器件性能需求的增长,由此,亟需找到来取代硅的一种新半导体材料。氮化镓(GaN)的优点在于具有禁带宽度大、电子饱和速度大、临界击穿电场高等,是优秀的继承者。高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种基于GaN半导体材料的异质结器件,可以在高压、高频、高温等相对极端环境下工作[1-3],在汽车电子、电力供应、轨道交通、航空航天以及武器装备等重要领域备受青睐。极化效应的存在,使得常规AlGaN/GaN HEMT是一种常开型器件,考虑到系统可靠性和驱动电路复杂性和等方面的问题[4-6],开发出一种增强型GaN HEMT器件的必要性不言而喻。凹槽栅技术可实现增强型Al2O3/AlGaN/GaN MIS-HEMT器件,该技术对阈值电压进行调控，是通过栅槽的刻蚀深度来实现,是一种实现增强型器件简单高效的方式,但是栅槽刻蚀损伤以及界面态会严重影响器件的性能[7-9],一方面,如何开发出一种高效高质量的栅槽刻蚀技术成为了研究重点[10] ；另一方面，为了进一步研究缓冲层陷阱对电流崩塌的影响机理,找到改善电流崩塌效应的解决方法仍待解决[11]。
1.2研究现状
1.2.1国内研究现状
2007年，过研究发现，对内外沟道电场的分别调制，可以有效地抑制器件的电流崩塌现象，从而提高器件的微波功率特性[12]。
2008年，通过对不同刻蚀深度的AlGaN/GaN异质结构的C-V结构的测试，验证了栅深和凹深的控制能力[13]。
2014年，AlGaN/GaN HEMT作为GaN基电子器件的代表,在器件可靠性得到提升后,其在微波大功率领域将有更加广阔的应用前景[14]。
2015年，对槽栅MOS HEMT进行基本特性进行了测试和分析,证明了凹槽栅MOS HEMT的输出电流比常规HEMT更大,对栅极的刻蚀有利于阈值电压正向漂移,具有更好的栅泄漏电流的抑制能力,但跨导相对常规HEMT更小,发现随着MOS HEMT的栅极刻蚀深度的增加,器件的亚阈值特性、输出特性增强[15]。
2017年，经研究发现，凹槽栅MOS-HEMT器件既能很好地降低器件的栅泄漏电流，又能保证器件良好的栅控能力[16]。
2017年，实验表明，源极侧2DEG和GaN缓冲器之间的势垒主要由漏极电压控制，决定了缓冲器的漏电流和随后缓冲器击穿的发生[17]，这有助于优化AlGaN/GaN HEMTs器件电场,提高击穿电压。
2018年，测试研究结果显示，凹栅槽结构能抑制短沟道效应和提高器件频率特性的作用，其增强了金属栅的调控能力，可以明显抑制器件的短沟道效应[18] 。
1.2.2国外研究现状
2010年，Anderson T J等经研究发现，当凹槽接近AlGaN/GaN异质结时，阈值电压接近于零。同时，迁移率在所研究的刻蚀范围内降低了一个数量级，并且片载流子密度也降低了[19]。
2011年，Khabibullin R A等在研究后发现：凹栅深度增加时，阈值电压明显增加，但由于AlGaN层变薄，饱和电流明显减小，阈值电压与饱和电流之间存在折衷。在阈值电压较高、饱和电流和跨导影响最小的情况下，可以得到最佳的凹栅深度。在栅极退火过程中，肖特基势垒高度提高，而较高的肖特基势垒能明显耗尽2DEG，这是提高阈值电压和降低饱和电流的主要原因[20]。
2014年，Heo J W等报道了两种制备高性能常关AlGaN/GaN HEMT的方法，结果显示，凹栅结构通过控制栅区刻蚀深度，使AlGaN层厚度减小到8nm以下，从而有效地改变了阈值电压[21]。
2019年，Sato T等进行了优化光电化学（PEC）刻蚀制备凹栅铝氮化镓/氮化镓AlGaN/GaN HEMT的研究，结论表明，与平面栅和干刻蚀AlGaN/GaN结构相比，PEC刻蚀的凹栅结构在较小的亚阈斜率下表现出更好的电流传输可控性[22]。
2019年，提出了一种用于毫米波AlGaN/GaN HEMT的新型凹浮子场板（RFFP）结构。降低的峰值电场有助于RFFP-GaN-HEMTs的三端击穿电压为122-140V，从84提高到101V，电流崩溃特性也得到显著改善。
1.3相关政策
表1.相关政策及规划表
| 文件名 | 时间 | 部门 | 内容摘要 |
| 《关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》 |
2011年 |
国务院 | 引导社会资本设立创业投资基金，支持中小软件企业和集成电路企业创业，加大相关人才引进。 |
| 《电子信息制造业“十二五”规划》 | 2012年 | 工业和信息化部 | 以集成电路、太阳能电池、新型元器件生产设备，通信与网络、半导体和集成电路、数字电视测试仪器为发展重点。 |
| 《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》 | 2013年 | 国家发展与改革委员会 | 将集成电路测试设备列入占略性新兴产业重点产品目录。 |
| 《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》 | 2016年 | 国务院 | 把战略性新兴产业摆在经济社会发展更加突出的位置，大力构建现代产业新体系，推动经济社会持续健康发展。 |
1.4研究目的
（1）依据对HEMT的现有研究成果，在全面考查凹栅AlGaN/GaN HEMT的情况下，实验总结其I-V特性和C-V特性，并确定影响器件阈值电压、关态漏电、栅漏电和击穿特性的条件。
（2）测试凹栅结构HEMT，通过实验结论证实其实现阈值可控的有效性和合理性。
1.5研究意义
（1）2010年Anderson T J等的研究填补了学界对阈值电压的控制研究的空白，本课题在其基础上丰富课题研究。
（2）深化对凹槽栅MOS-HEMT器件有效降低器件的栅泄漏电流的研究。
（3）探究HEMT器件决定击穿电压的因素，能有效优化HEMT器件，为其可靠性方面的研究添砖加瓦，以求HEMT器件在更多领域拥有广阔的应用前景，具有一定现实意义。
2. 研究内容与预期目标
2.1主要研究内容：
（1）通过图书馆及网上查阅学习并掌握凹栅结构GaN HEMT器件相关资料。
（2）通过测试总结凹栅结构GaN HEMT的I-V特性和C-V特性，研究凹栅刻蚀对器件电学参数的影响的因素，包括阈值电压与传统HEMT器件的迥异、关态漏电与栅漏电和传统HEMT器件有什么优越性，以及击穿特性对比普通HEMT器件有怎样的提升等。
3. 研究方法与步骤
3.1研究方法：
（1）文献调查：查找学院图书馆资料、核心期刊,以及其他网上的HEMT资料，对所研究的课题进行深入的了解。（2）实验操作：实验系统研究HEMT器件的电学性能，测试相关电学参数，经验总结、对比分析。
（3）数据收集：总结并整理实验数据，进行优化实验。
4. 参考文献
[1]Chen K J, H#228;berlen O, Lidow A, Tsai C L, Ueda T, Uemoto Y, Wu Y F 2017 IEEE Trans. Electron Dev. 64
[2]Yu C H, Luo X D, Zhou W Z, Luo Q Z, Liu P S 2012 Acta
Phys. Sin. 61 207301 (in Chinese) [余晨辉, 罗向东, 周文政, 罗庆洲, 刘培生 2012 物理学报 61207301
5. 工作计划
（1）2021.1.10-2021.3.01文献调研，图书馆查阅资料，完成开题报告，完成外文资料的翻译；
（2）2021.3.01-2021.4.15实验系统研究HEMT器件的电学性能，测试相关电学参数；
（3）2021.4.16-2021.4.30总结并整理实验数据，进行优化实验；
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