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【发明授权】一种槽栅增强型MISHEMT器件及其制作方法_华南理工大学_201910080310.1 

申请/专利权人:华南理工大学

申请日:2019-01-28

公开(公告)日:2020-09-22

公开(公告)号:CN109742144B

主分类号:H01L29/778(20060101)

分类号:H01L29/778(20060101);H01L21/335(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.09.22#授权;2019.06.04#实质审查的生效;2019.05.10#公开

摘要:本发明公开了一种槽栅增强型MISHEMT器件,包括衬底;位于所述衬底上异质外延生长的SiN成核层;位于所述SiN成核层上外延生长的GaN缓冲层;位于所述GaN缓冲层上外延生长的AlGaN背势垒层;位于所述AlGaN背势垒层上外延生长的GaN沟道层;位于所述GaN沟道层上外延生长的AlGaN势垒层;位于所述AlGaN势垒层上外延生长的第一AlGaN调制层;位于所述第一AlGaN调制层上外延生长的第二AlGaN调制层;所述第二AlGaN调制层的中部刻蚀有凹栅槽,凹栅槽表面淀积有Al2O3绝缘层,所本发明的器件的有益之处在于击穿电压增大、阈值电压增大和饱和电流密度增大。

主权项:1.一种槽栅增强型MISHEMT器件,其特征在于,包括:衬底;位于所述衬底上异质外延生长的SiN成核层;位于所述SiN成核层上外延生长的GaN缓冲层;位于所述GaN缓冲层上外延生长的AlGaN背势垒层;位于所述AlGaN背势垒层上外延生长的GaN沟道层;位于所述GaN沟道层上外延生长的AlGaN势垒层;位于所述AlGaN势垒层上外延生长的第一AlGaN调制层;位于所述第一AlGaN调制层上外延生长的第二AlGaN调制层;所述第二AlGaN调制层的中部刻蚀有凹栅槽,所述凹栅槽的表面淀积有Al2O3绝缘层,所述凹栅槽的内腔填充有金属电极,所述金属电极作为栅极;所述第二AlGaN调制层两侧的表面均形成欧姆接触,分别作为源极和漏极;其中,第一AlGaN调制层、AlGaN势垒层、GaN沟道层构成第一双异质结,AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒层构成第二双异质结;所述第一AlGaN调制层中Al含量低于AlGaN势垒层中的Al含量,而第二AlGaN调制层中Al含量高于AlGaN势垒层中的Al含量;对于第一双异质结,当第一AlGaN调制层的Al含量比AlGaN势垒层的Al含量小时,第一AlGaN调制层、AlGaN势垒层之间界面处就会因价带处高出费米势形成空穴沟道,最终形成二维空穴气;对于第二双异质结,由于AlGaN背势垒层的存在使得GaN沟道层处于压应变状态,使得GaN的晶格常数变大;同时使得在AlGaN势垒层与GaN沟道层之间存在对二维电子气有耗尽作用的负电荷。

全文数据:一种槽栅增强型MISHEMT器件及其制作方法技术领域本发明涉及AlGaNGaN异质结场效应晶体管技术领域,具体涉及一种槽栅增强型MISHEMT器件及其制作方法。背景技术与传统的第一代半导体Ge、Si和第二代半导体材料GaAs、InP等材料相比,GaN基半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和迁移速度高、容易形成异质结构、具有很强的自发和压电极化效应、抗辐射能力强和化学性质稳定性好等优异特性。GaN可与AlGaN、InAlN等氮化物半导体材料构成异质结,在外延生长时,异质结界面处的能带带阶不连续化及自发极化和压电极化可以在异质结界面产生高浓度的二维电子气2DEG。GaN基功率器件的输出功率密度是GaAs基功率器件输出功率密度的10倍,在相同的尺寸下,GaN基功率器件的的输出功率可以做得更大,从而显著降低了器件的重量,减少了系统组件的数量,提高了系统的可靠性。同时,GaN基器件具有较高的工作电压,可工作于42V。GaN基功率器件的工作频率可覆盖1到100GHz的频率范围。因此,GaN材料特别适用于制备高温、高频、大功率和抗辐射的新一代高性能微波功率HEMT器件和高压低损耗HEMT电子电力器件,具有广阔和特殊的应用前景。由于AlGaNGaN异质结存在极强的极化效应,在异质界面处会产生高浓度的二维电子气导电沟道,所以传统的AlGaNGaNHEMT器件属于常开型器件,器件阈值电压为负值。但常开型器件在电路应用过程中,只有在器件栅极施加负压才会使器件关断,这不仅增加了系统的额外功耗,而且在电路中容易受到噪声信号影响,产生误开启的问题,使得系统的安全性降低。因此研究高性能的增强型AlGaNGaNHEMT具有非常重要的意义。目前,增强型GaNHEMT器件的实现方法包括:p型栅、F离子注入、凹栅槽、薄势垒层等技术。通过加入p型栅得到的器件阈值电压以及承受的栅极电压范围较小,给晶体管的封装带来问题;F离子注入虽然工艺简单,但存在阈值电压不稳定、可靠性差等问题;减薄势垒层以牺牲所有区域二维电子气浓度为代价达到增强型的目的,器件性能下降。凹栅槽技术只将栅下的势垒层刻蚀一定深度,使得删下势垒层变薄,二维电子气浓度降低,从而达到增强型的目的,在这一过程中器件栅源之间区域和栅漏之间区域的势垒层厚度不发生变化,载流子浓度的较大值保持不变,保证了一定的电流密度。所以利用槽栅结构来实现增强型GaNHEMT器件得到了广泛的应用。由于栅槽的刻蚀过程中,为了控制栅级漏电,通常会在刻蚀完凹槽之后,淀积一层介质形成金属—介质—半导体MIS结构。这样不仅改善了凹栅槽AlGaNGaNHEMT器件栅级漏电的情况,还能增加栅电压的摆幅。制作槽栅时,为了使得栅下二维电子气耗尽,采取的方式是增大刻蚀深度。但由于AlGaNGaNHEMT外延结构为多层,各层的材料不同,因此刻蚀速率也不同,难以通过刻蚀时间控制凹栅槽的深度,这样在工艺上很难控制,对器件会带来很大的损伤,会造成阈值电压Vth的不稳定性,器件的泄漏电流增大等问题。因此有必要提出一种新的结构来解决上述问题。发明内容本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足,提供了一种槽栅增强型MISHEMT器件及其制作方法。本发明的目的通过以下的技术方案实现:一种槽栅增强型MISHEMT器件,包括:衬底;位于所述衬底上异质外延生长的SiN成核层;位于所述SiN成核层上外延生长的GaN缓冲层;位于所述GaN缓冲层上外延生长的AlGaN背势垒层;位于所述AlGaN背势垒层上外延生长的GaN沟道层;位于所述GaN沟道层上外延生长的AlGaN势垒层;位于所述AlGaN势垒层上外延生长的第一AlGaN调制层;位于所述第一AlGaN调制层上外延生长的第二AlGaN调制层;所述第二AlGaN调制层的中部刻蚀有凹栅槽,凹栅槽表面淀积有Al2O3绝缘层,所述凹栅槽的内腔填充有金属电极,所述金属电极作为栅极;所述第二AlGaN调制层两侧的表面均形成欧姆接触,分别作为源极和漏极;其中,第一AlGaN调制层、AlGaN势垒层、GaN沟道层构成第一双异质结,AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒层构成第二双异质结。优选地,所述AlGaN背势垒层中的Al含量低于AlGaN势垒层中的Al含量;所述第一AlGaN调制层中Al含量低于AlGaN势垒层中的Al含量,而第二AlGaN调制层中Al含量高于AlGaN势垒层中的Al含量。优选地,所述AlGaN背势垒层厚度为20nm;所述第一AlGaN调制层厚度为10nm;所述第二AlGaN调制层厚度为25nm。优选地,所述第二AlGaN调制层中部刻蚀的凹栅槽宽度为1μm,凹栅槽深度为30nm;Al2O3绝缘层厚度为0.1μm,所述栅极长度为0.8μm。优选地,源极和漏极长度均为1μm。优选地,所述外延生长的GaN缓冲层具有n型电阻特性或半绝缘特性。优选地,所述衬底的材料为硅、碳化硅、氮化镓或者蓝宝石中的任意一种。上述的槽栅增强型MISHEMT器件的制作方法,包括:1对半绝缘的衬底进行清洗,并去除表面污染物;2在半绝缘的衬底上通过MOCVD技术,外延生长40nm厚的SiN成核层;3SiN成核层上外延3μm的GaN缓冲层;4在GaN缓冲层上外延生长20nm厚的AlGaN背势垒层,在薄膜生长的过程中,控制AlGaN背势垒层中Al含量为7%;5在AlGaN背势垒层上外延生长15nm厚的GaN沟道层;6在GaN沟道层上依次外延生长10nm厚的AlGaN势垒层、10nm厚的第一AlGaN调制层以及25nm厚的第二AlGaN调制层,分别控制Al的含量为15%、7%、25%;7在第二AlGaN调制层上采用ICP刻蚀方法进行台面隔离,形成有源区的隔离;8利用电子束蒸发的方法依次在所述第二AlGaN调制层两侧的表面淀积TiAlNiAu多层金属,经过剥离工艺后,迅速退火在第二AlGaN调制层的两侧上形成1μm长的源极和漏极;9在漏源之间进行光刻制作凹栅槽,利用ICP刻蚀技术刻蚀30nm厚的,1μm宽的栅槽;10利用ALD淀积的方式淀积0.1μm厚度的Al2O3作为栅介质;11利用磁控溅射的方式淀积并结合剥离工艺制备出栅金属,在Al2O3栅介质表面淀积栅金属;12对经步骤1-11形成的双调制层AlGaNGaNAlGaNMISHEMT器件进行最后的表面钝化形成电极压焊点,最后制得可以进行电学测试的槽栅增强型MISHEMT器件。本发明相对于现有技术具有如下的优点:—、阈值电压增大,在凹栅槽结构中引入双异质结结构,由于双异质结构本身就具有较小的二维电子气,使得只需要刻蚀较小的深度,就可以使器件达到增强型,阈值电压增大。二、击穿电压提高,由第一AlGaN调制层、第二AlGaN势垒层、GaN沟道层构成的双异质结结构中,由于二维空穴气的产生使得二维电子气的浓度下降;由AlGaN背势垒层、GaN沟道层、AlGaN势垒层构成的双异质结结构,由于AlGaN背势垒的存在使得二维电子气被限制在量子阱内。二维电子气的减少使得器件在关态下的缓冲电流变得更小,击穿电压增大。三、饱和电流密度增大,第二AlGaN调制层中Al的含量相对较高,使得第二AlGaN调制层的晶格常数与GaN势垒层差值变大,两者产生的压电极化电荷密度增大,二维电子气浓度增大,从而使得器件的饱和电流密度增大。附图说明图1是本发明的槽栅增强型MISHEMT器件的结构示意图。图2是传统的AlGaNGaNMISHEMT器件的结构示意图。图3是只含有背势垒层的AlGaNGaNAlGaNMISHEMT器件的结构示意图。图4是图1、图2、图3三种器件的转移特性曲线对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1,一种槽栅增强型MISHEMT器件,包括:衬底1;位于所述衬底1上异质外延生长的SiN成核层2;位于所述SiN成核层2上外延生长的GaN缓冲层3;位于所述GaN缓冲层3上外延生长的AlGaN背势垒层4;位于所述AlGaN背势垒层4上外延生长的GaN沟道层5;位于所述GaN沟道层5上外延生长的AlGaN势垒层6;位于所述AlGaN势垒层6上外延生长的第一AlGaN调制层7;位于所述第一AlGaN调制层7上外延生长的第二AlGaN调制层8;所述第二AlGaN调制层8的中部刻蚀有凹栅槽,凹栅槽表面淀积有Al2O3绝缘层9,所述凹栅槽的内腔填充有金属电极,所述金属电极作为栅极10;所述第二AlGaN调制层两侧的表面均形成欧姆接触,分别作为源极11和漏极12;其中,第一AlGaN调制层7、AlGaN势垒层6、GaN沟道层5构成第一双异质结,AlGaN势垒层6、GaN沟道层5、AlGaN背势垒层4构成第二双异质结。本方案将凹栅槽结构与双异质结结构联系起来,在增大阈值电压的同时提高了饱和电流密度,并提高了器件的击穿电压,使器件的性能得到了提升。在本实施例,所述MISHEMT器件为槽栅增强型ALGANGANALGANMISHEMT器件。均形成欧姆接触后的第二AlGaN调制层两侧的表面,分别作为源极11和漏极12;具体地,形成欧姆接触后第二AlGaN调制层的左侧作为源极11,形成欧姆接触后第二AlGaN调制层的右侧作为漏极12。其中,金属与半导体形成欧姆接触是指在接触处是一个纯电阻,而且该电阻越小越好,使得组件操作时,大部分的电压降在活动区Activeregion而不在接触面。因此,其I-V特性是线性关系,斜率越大接触电阻越小,接触电阻的大小直接影响器件的性能指标。欧姆接触在金属处理中应用广泛,实现的主要措施是在半导体表面层进行高掺杂或者引入大量复合中心。在本实施例,所述AlGaN背势垒层4中的Al含量低于AlGaN势垒层6中的Al含量;所述第一AlGaN调制层7中Al含量低于AlGaN势垒层6中的Al含量,而第二AlGaN调制层8中Al含量高于AlGaN势垒层6中的Al含量。在本实施例,所述AlGaN背势垒层4厚度为20nm;所述第一AlGaN调制层7厚度为10nm;所述第二AlGaN调制层8厚度为25nm。在本实施例,所述第二AlGaN调制层8中部刻蚀的凹栅槽宽度为1μm,凹栅槽深度为30nm;Al2O3绝缘层9厚度为0.1μm,所述栅极10长度为0.8μm。在本实施例,源极11和漏极12长度均为1μm。在本实施例,所述外延生长的GaN缓冲层3具有n型电阻特性或半绝缘特性。在本实施例,所述衬底1的材料为硅、碳化硅、氮化镓或者蓝宝石中的任意一种。上述的槽栅增强型MISHEMT器件的制作方法,包括:1对半绝缘的衬底1进行清洗,并去除表面污染物;2在半绝缘的衬底1上通过MOCVD技术,外延生长40nm厚的SiN成核层2;3SiN成核层2上外延3μm的GaN缓冲层3;4在GaN缓冲层3上外延生长20nm厚的AlGaN背势垒层4,在薄膜生长的过程中,控制AlGaN背势垒层4中Al含量为7%;5在AlGaN背势垒层4上外延生长15nm厚的GaN沟道层5;6在GaN沟道层上依次外延生长10nm厚的AlGaN势垒层6、10nm厚的第一AlGaN调制层7以及25nm厚的第二AlGaN调制层8,分别控制Al的含量为15%、7%、25%;7在第二AlGaN调制层8上采用ICP刻蚀方法进行台面隔离,形成有源区的隔离;8利用电子束蒸发的方法依次在所述第二AlGaN调制层8两侧的表面淀积TiAlNiAu多层金属,经过剥离工艺后,迅速退火在第二AlGaN调制层8的两侧上形成1μm长的源极11和漏极12;9在漏源之间进行光刻制作凹栅槽,利用ICP刻蚀技术刻蚀30nm厚的,1μm宽的栅槽;10利用ALD淀积的方式淀积0.1μm厚度的Al2O3作为栅介质;11利用磁控溅射的方式淀积并结合剥离工艺制备出栅金属,在Al2O3栅介质表面淀积栅金属;12对经步骤1-11形成的双调制层AlGaNGaNAlGaNMISHEMT器件进行最后的表面钝化形成电极压焊点,最后制得可以进行电学测试的槽栅增强型MISHEMT器件。将上述制成的槽栅增强型MISHEMT器件如图1所示分别与传统的AlGaNGaNMISHEMT器件如图2所示、只含有背势垒层AlGaNGaNAlGaNMISHEMT器件如图3所示在阈值电压以及饱和输出电流两方面做了比较,结果如图4所示;图4的结果显示,新型的具有双调制层的槽栅增强型MISHEMT器件在阈值电压方面较其他两种是最大的,并且饱和电流密度相对于只含有背势垒层的AlGaNGaNAlGaNMISHEMT有了很大的提高。由于引入了双异质结,使得器件不需要刻蚀较大的深度就可以达到阈值电压要求,减小了刻蚀过程不稳定对器件的损伤的问题同时增加了器件的耐压能力;针对由于双异质结的引入导致的电流密度降低的问题,我们采用了加入AlGaN调制层的方法,显著增加了器件的饱和电流密度。本方案的槽栅增强型MISHEMT器件的阈值电压以及击穿电压得到提高的原理如下:由第一AlGaN调制层7、AlGaN势垒层6、GaN沟道层5构成第一双异质结,当第一AlGaN调制层7的Al含量比AlGaN势垒层6的Al含量小时,第一AlGaN调制层7、AlGaN势垒层6之间界面处就会因价带处高出费米势形成空穴沟道,最终形成二维空穴气2DHG。2DHG的存在可以使得第一AlGaN调制层7、AlGaN势垒层6之间界面处的2DEG耗尽。由AlGaN势垒层6、GaN沟道层5、AlGaN背势垒层4构成第二双异质结,由于AlGaN背势垒层4的存在使得GaN沟道层处于压应变状态,使得GaN的晶格常数变大。从而使得AlGaN势垒层6与GaN沟道层5之间的晶格常数差值会变小,它们之间由于压电极化产生的极化电荷密度会减小;同时因为AlGaN背势垒层4的存在使得在AlGaN势垒层6与GaN沟道层5之间存在负电荷,它对二维电子气有一定的耗尽作用,使得GaN沟道层5的导带被拉高,势垒深度降低,从而降低了二维电子气的浓度。双异质结构的槽栅增强型MISHEMT器件由于二维电子气浓度的减小,使得只需要刻蚀较小的深度,就可以使器件达到增强型,阈值电压增大。同时,二维电子气浓度的减小使得器件在关态下缓冲泄漏电流变得很小,器件不容易击穿,耐压性能得到提升。当器件的漏源之间的电压较大时,其阈值电压会发生很小的变化,使得器件能够更稳定地工作。并且由于二维电子气被限制在量子阱内,使得2DEG不容易溢出成为体电子,使得器件的迁移率变大,拥有更大的跨导。上述组成的两个双异质结都会使得沟道二维电子气的浓度下降,这样一来,在制作槽栅增强型晶体管时,只需刻蚀较低的深度,就可以实现增强型,工艺上更容易控制,给器件带来的损伤更小。并且双异质结器件具有耐压能力强、稳定性高、迁移率大等优点,将凹栅槽结构与双异质结结构联系起来,器件的性能会得到很大的提升。本方案的槽栅增强型MISHEMT器件的饱和电流密度得到提高的原理如下:由于具有双异质结的槽栅增强型MISHEMT器件相对于单异质结器件来说,具有更小的二维电子气浓度,使得器件的饱和电流密度下降。为了解决这一问题,在第一AlGaN调制层7上引入一层Al含量更大第二AlGaN调制层8。随着Al含量的增加,自发极化强度以及压电极化强度更大,使得二维电子气浓度增大,相应地饱和电流浓度也增大。本发明相对现有技术具有的有益效果在于:—、阈值电压增大,在凹栅槽结构中引入双异质结结构,由于双异质结构本身就具有较小的二维电子气,使得只需要刻蚀较小的深度,就可以使器件达到增强型,阈值电压增大。二、击穿电压提高,由第一AlGaN调制层7、第二AlGaN势垒层6、GaN沟道层5构成的双异质结结构中,由于二维空穴气的产生使得二维电子气的浓度下降;由AlGaN势垒层6、GaN沟道层5、AlGaN背势垒层4构成的双异质结结构,由于AlGaN背势垒的存在使得二维电子气被限制在量子阱内。二维电子气的减少使得器件在关态下的缓冲电流变得更小,击穿电压增大。三、饱和电流密度增大,第二AlGaN调制层8中Al的含量相对较高,使得第二AlGaN调制层8的晶格常数与GaN势垒层差值变大,两者产生的压电极化电荷密度增大,二维电子气浓度增大,从而使得器件的饱和电流密度增大。上述具体实施方式为本发明的优选实施例,并不能对本发明进行限定,其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

权利要求:1.一种槽栅增强型MISHEMT器件,其特征在于,包括:衬底;位于所述衬底上异质外延生长的SiN成核层;位于所述SiN成核层上外延生长的GaN缓冲层;位于所述GaN缓冲层上外延生长的AlGaN背势垒层;位于所述AlGaN背势垒层上外延生长的GaN沟道层;位于所述GaN沟道层上外延生长的AlGaN势垒层;位于所述第二AlGaN势垒层上外延生长的第一AlGaN调制层;位于所述第一AlGaN调制层上外延生长的第二AlGaN调制层;所述第二AlGaN调制层的中部刻蚀有凹栅槽,所述凹栅槽的表面淀积有Al2O3绝缘层,所述凹栅槽的内腔填充有金属电极,所述金属电极作为栅极;所述第二AlGaN调制层两侧的表面均形成欧姆接触,分别作为源极和漏极;其中,第一AlGaN调制层、AlGaN势垒层、GaN沟道层构成第一双异质结,AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒层构成第二双异质结。2.根据权利要求1所述的槽栅增强型MISHEMT器件,其特征在于,所述第一AlGaN势垒层中的Al含量低于第二AlGaN势垒层中的Al含量;所述第一AlGaN调制层中Al含量低于AlGaN势垒层中的Al含量,而第二AlGaN调制层中Al含量高于AlGaN势垒层中的Al含量。3.根据权利要求1所述的槽栅增强型MISHEMT器件,其特征在于,所述AlGaN背势垒层厚度为20nm;所述第一AlGaN调制层厚度为10nm;所述第二AlGaN调制层厚度为25nm。4.根据权利要求1所述的槽栅增强型MISHEMT器件,其特征在于,所述第二AlGaN调制层的中部刻蚀的凹栅槽宽度为1μm,凹栅槽深度为30nm;Al2O3绝缘层厚度为0.1μm,所述栅极长度为0.8μm。5.根据权利要求1所述的槽栅增强型MISHEMT器件,其特征在于,源极和漏极长度均为1μm。6.根据权利要求1所述的槽栅增强型MISHEMT器件,其特征在于,所述外延生长的GaN缓冲层具有n型电阻特性或半绝缘特性。7.根据权利要求1所述的槽栅增强型MISHEMT器件,其特征在于,所述衬底的材料为硅、碳化硅、氮化镓或者蓝宝石中的任意一种。8.根据权利要求1-7任意一项的槽栅增强型MISHEMT器件的制作方法,其特征在于,包括:1对半绝缘的衬底进行清洗,并去除表面污染物;2在半绝缘的衬底上通过MOCVD技术,外延生长40nm厚的SiN成核层;3SiN成核层上外延3μm的GaN缓冲层;4在GaN缓冲层上外延生长20nm厚的AlGaN背势垒层,在薄膜生长的过程中,控制AlGaN背势垒层中Al含量为7%;5在AlGaN背势垒层上外延生长15nm厚的GaN沟道层;6在GaN沟道层上依次外延生长10nm厚的AlGaN势垒层、10nm厚的第一AlGaN调制层以及25nm厚的第二AlGaN调制层,分别控制Al的含量为15%、7%、25%;7在第二AlGaN调制层上采用ICP刻蚀方法进行台面隔离,形成有源区的隔离;8利用电子束蒸发的方法依次在所述第二AlGaN调制层两侧的表面淀积TiAlNiAu多层金属,经过剥离工艺后,迅速退火在第二AlGaN调制层的两侧上形成1μm长的源极和漏极;9在漏源之间进行光刻制作凹栅槽,利用ICP刻蚀技术刻蚀30nm厚的,1μm宽的栅槽;10利用ALD淀积的方式淀积0.1μm厚度的Al2O3作为栅介质;11利用磁控溅射的方式淀积并结合剥离工艺制备出栅金属,在Al2O3栅介质表面淀积栅金属;12对经步骤1-11形成的槽栅增强型MISHEMT器件进行最后的表面钝化形成电极压焊点,最后制得可以进行电学测试的槽栅增强型MISHEMT器件。

百度查询: 华南理工大学 一种槽栅增强型MISHEMT器件及其制作方法

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