AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管載流子遷移率和相關(guān)器件特性參數(shù)研究.pdf

1、從1993年第一只AlGaN/GaN HFETs問世，經(jīng)過長達(dá)25年的研究，AlGaN/GaN HFETs完成了從起初各性能適中的藍(lán)寶石襯底，到低失配、高熱導(dǎo)率的SiC襯底，到低成本、易集成的Si襯底的探索，在器件功率密度、頻率特性、擊穿特性和增強(qiáng)型器件制備等方面進(jìn)行了多方位的研究，并取得了一系列突破性成果。目前，雖然以AlGaN/GaN HFETs為核心的產(chǎn)品已投入市場應(yīng)用，但一些相關(guān)問題仍亟需解決:AlGaN/GaN HFETs器件

2、物理模型亟需完備;小尺寸AlGaN/GaN HFETs器件電學(xué)特性的理論研究亟需完善;作為功率放大器的核心器件，AlGaN/GaN HFETs的非線性失真問題亟需解決。
　　本論文基于PCF散射理論，結(jié)合AlGaN/GaN HFETs當(dāng)前面臨的問題，以將PCF散射理論應(yīng)用于實(shí)際器件參數(shù)分析和性能提升作為研究重點(diǎn)，利用PCF散射理論，從準(zhǔn)確確定器件載流子遷移率、分析小尺寸器件載流子遷移率特性、利用柵長的設(shè)計(jì)和柵偏壓的選擇提高器件性能

3、、提高器件線性度等方面開展具體的研究工作。具體研究包括以下內(nèi)容:
　　1.一種準(zhǔn)確確定AlGaN/GaN HFETs載流子遷移率的方法
　　首先，基于二維散射理論，對AlGaN/GaN HFETs中PCF散射的形成和理論模型的建立進(jìn)行了詳細(xì)介紹。之后，對傳統(tǒng)方法計(jì)算載流子遷移率的局限性進(jìn)行了分析。傳統(tǒng)意義上對柵下2DEG電子遷移率的求解，是基于柵下溝道2DEG受到柵偏壓的調(diào)控，而柵源通道電阻RS和柵漏通道電阻RD不隨柵偏壓的

4、改變而改變，即RS和RD為固定值這一原則（本論文中，柵源通道電阻RS和歐姆接觸電阻RC之和為源串聯(lián)電阻，柵漏通道電阻RD和歐姆接觸電阻RC之和為漏串聯(lián)電阻，RS和RD均不包含歐姆接觸電阻RC）。但是，隨著柵偏壓的改變，由于逆壓電效應(yīng)，柵下AlGaN勢壘層具有不同的應(yīng)變變化，柵下極化電荷會隨之改變，導(dǎo)致PCF散射會隨柵偏壓改變。PCF散射對柵源、柵漏和柵下三部分載流子都有散射作用。RS和RD因受PCF散射的影響，不再是定值，而會隨柵偏壓變

5、化，這樣一來傳統(tǒng)方法將不再適用。為此，從PCF散射對RS和RD的影響出發(fā)，通過測得的電流-電壓(I-V)輸出特性曲線和電容-電壓(C-V)曲線，基于二維散射模型，采用迭代計(jì)算的方法，提出了一種準(zhǔn)確確定柵下2DEG電子遷移率的方法。運(yùn)用這一方法，計(jì)算了漏源間距為20μm，柵長為4μm和16μm的兩樣品的載流子遷移率。并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)柵長越大的器件，PCF散射對RS和RD的影響越強(qiáng)，新方法和傳統(tǒng)方法的差別越大。最后，基于得到的2D

6、EG電子遷移率，計(jì)算得到器件的跨導(dǎo)，并與跨導(dǎo)測試值進(jìn)行對比，證明了這一方法的準(zhǔn)確性。
　　2.小尺寸AlGaN/GaN HFETs載流子遷移率的研究
　　采用T型柵、n+-GaN歐姆接觸再生長、SiN鈍化等工藝，制作了柵長為70nm，柵源間距為300/600nm，柵寬為20/40μm的AlGaN/GaN HFETs。依據(jù)測得的I-V輸出特性曲線和2DEG電子面密度，基于PCF散射，采用迭代計(jì)算的方法，提取出小尺寸AlGaN/

7、GaN HFETs柵下2DEG電子遷移率和柵源/柵漏通道電阻。分析發(fā)現(xiàn)，柵下2DEG電子所受PCF散射在所有散射中占主導(dǎo)地位，其電子遷移率隨柵偏壓增大（柵偏壓增大是指從負(fù)偏壓向正偏壓變化）而增大。并且，漏源間距越大或柵寬越大的器件，2DEG電子遷移率越低。這是由于漏源間距或者柵寬的增大，有效地增大了柵源和柵漏區(qū)域內(nèi)的附加極化電荷數(shù)目，從而對柵下2DEG電子的PCF散射作用增強(qiáng)。RS和RD隨柵偏壓的降低（柵偏壓降低是指從正偏壓向負(fù)偏壓變化

8、）而增大，并且，漏源間距小的器件或者柵寬大的器件，RS和RD的增大更加明顯。這是由于柵長不變，漏源間距減小，柵源和柵漏間距隨之減小，柵下附加極化電荷對更小的柵源和柵漏溝道中的2DEG電子的PCF散射增強(qiáng);柵寬增大，導(dǎo)致柵下附加極化電荷數(shù)目增多，對柵源和柵漏溝道電子的PCF散射作用也增強(qiáng)。研究表明PCF散射對小尺寸AlGaN/GaN HFETs器件載流子遷移率具有重要影響，減弱PCF散射，可有效地提高小尺寸AlGaN/GaNHFETs器件

9、性能。
　　3.不同柵長和柵偏壓對AlGaN/GaN HFETs極化庫侖場散射勢和柵源通道電阻RS的影響研究
　　制作了漏源間距為20μm，柵長分別為4μm、10μm和16μm的AlGaN/GaN HFETs，測試得到器件的I-V輸出特性曲線和C-V曲線。通過選用不同的2DEG電子波函數(shù)和PCF散射勢，提出了兩種計(jì)算PCF散射的方法，并結(jié)合其它散射機(jī)制，計(jì)算了漏源溝道電阻值。與實(shí)驗(yàn)測試值進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，不同柵長和柵偏壓對PCF

10、散射勢有著不同的影響。對于柵長小的器件，應(yīng)選擇柵源和柵漏區(qū)域的2DEG電子波函數(shù)，及柵下區(qū)域附加極化電荷進(jìn)行PCF散射的計(jì)算。對于柵長大的器件，應(yīng)選擇柵下區(qū)域的2DEG電子波函數(shù)，及柵源和柵漏區(qū)域的附加極化電荷進(jìn)行PCF散射的計(jì)算。對于柵長長度居中的器件，兩種方法計(jì)算的漏源溝道電阻都和實(shí)驗(yàn)值有著一定的差別。這主要是由于PCF散射理論模型是基于微擾理論建立的，只有PCF散射勢相比系統(tǒng)的哈密頓量是小量，才能保證PCF散射計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。此

11、外，隨著柵偏壓向負(fù)偏壓不斷降低，PCF散射不斷增強(qiáng)，PCF散射勢能不斷增強(qiáng)，這也會降低PCF散射理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。由此得知，不同柵長和柵偏壓可以影響器件的PCF散射勢，只有盡可能的選擇小的PCF散射勢所對應(yīng)的系統(tǒng)哈密頓量，才能符合微擾理論的適用性，從而保證PCF散射理論模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。
　　制作了柵源間距為3μm，柵漏間距為6μm，柵長分別為3μm、6μm和10μm的AlGaN/GaN HFETs，采用柵探針法測試了器件的柵源通

12、道電阻RS。分析發(fā)現(xiàn):不同柵偏壓或柵長下，相同柵源間距的器件RS呈現(xiàn)不同的電阻值;隨柵偏壓的增大，3μm柵長的器件RS單調(diào)下降，6μm柵長的器件RS先下降后上升，10μm柵長的器件RS單調(diào)上升。這種RS的變化被認(rèn)為是PCF散射造成的。柵下正的附加極化電荷和歐姆區(qū)域負(fù)的附加極化電荷，在PCF散射勢中存在著抵消作用，柵偏壓或者柵長的增大會增加?xùn)畔抡母郊訕O化電荷數(shù)目，改變PCF散射，從而影響RS。這一結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到了很好的驗(yàn)證，并使得

13、改變器件柵長或者選擇合適的柵偏壓，有效改善RS進(jìn)而提高器件線性度成為可能。
　　4.極化庫侖場散射對AlGaN/GaN HFETs器件線性度的影響研究
　　制作了柵長為100nm，漏源間距為2μm和4μm的AlGaN/GaN HFETs器件，選取漏源偏壓VDS=10V(a-g)和漏源偏壓改變(A-G)的兩種不同類型的靜態(tài)工作點(diǎn)，基于兩種不同靜態(tài)工作點(diǎn)下的小信號測試，得到了器件的功率增益。對比發(fā)現(xiàn)A-G比a-g的功率增益變化更

14、加平緩，即A-G具有更好的器件線性度變化，并且這種線性度的提高在小的漏源間距器件下更加明顯。研究表明柵偏壓的增大或者漏源偏壓的減小，都可以減弱PCF散射，而PCF散射的減弱，可有效地補(bǔ)償隨柵偏壓增大而增強(qiáng)的POP散射，從而減小RS的變化程度，減緩器件跨導(dǎo)、截止頻率和功率增益隨柵偏壓的下降趨勢，進(jìn)而提高器件線性度。
　　制作了柵長為1μm，漏源間距為6μm，柵寬分別為546μm和780μm的AlGaN/GaN HFETs，并進(jìn)行了器

15、件輸入輸出匹配下的功率測試。發(fā)現(xiàn)柵寬越大的器件，其功率增益變化越平緩，線性輸出特性越好。對柵源溝道中電子溫度進(jìn)行求解，發(fā)現(xiàn)兩樣品柵源溝道電子溫度幾乎相同，POP散射所決定的RS部分幾乎一致，其隨柵偏壓的增大而增強(qiáng);而兩樣品柵寬不同，柵下附加極化電荷數(shù)目不同，所以PCF散射強(qiáng)度不同，柵寬大的器件具有更多的附加極化電荷，因而具有更強(qiáng)的PCF散射。PCF散射決定的RS部分隨柵偏壓的增大（柵偏壓增大指從負(fù)偏壓向正偏壓變化）而降低，而POP散射決

16、定的RS部分隨柵偏壓的增大而增大，這樣，PCF散射增強(qiáng)可以使RS隨柵偏壓的變化（從負(fù)偏壓向正偏壓變化）減小。最后，對計(jì)算得到的RS進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)柵寬大的器件RS呈現(xiàn)更平緩的變化。在實(shí)驗(yàn)測試和理論計(jì)算上證明了增大器件柵寬，可以提高器件PCF散射，從而提高器件線性度。
　　制作了柵源和柵漏間距都為1μm，柵長分別為0.5μm、0.35μm和0.25μm的AlGaN/GaN HFETs。通過跨導(dǎo)測試分析，發(fā)現(xiàn)柵長越大的器件，其跨導(dǎo)變化更

17、加平緩。輸入輸出匹配下的功率測試表明，柵長越大的器件，其1-dB壓縮點(diǎn)對應(yīng)的輸入功率(PIN-1dB)越高，即器件線性度越好。理論計(jì)算了器件各散射機(jī)制對應(yīng)的RS和總的RS，發(fā)現(xiàn)柵長大的器件，其柵下附加極化電荷多，PCF散射強(qiáng)。同樣，PCF散射增強(qiáng)可以使RS隨柵偏壓的變化減小（與增大柵寬的情況相同），從而增大器件柵長可有效地提高器件的線性度。
　　基于不同漏源間距、不同柵寬和不同柵長的器件實(shí)驗(yàn)證明和理論分析，結(jié)合PCF散射，提出了一