GaN基HEMT器件的變溫特性研究.pdf

1、由于 GaN材料具有許多杰出的特性，例如高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高的面電荷密度和高的電子遷移率，使得AlGaN/GaN HEMTs器件已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于高頻和高功率領(lǐng)域，而溫度可靠性是阻礙器件進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一，所以為了提升器件的性能，研究器件的溫度特性是十分必要的。在這樣的研究背景下，本篇論文將主要圍繞 GaN基器件的變溫特性尤其是低溫下器件的特性展開(kāi)研究。
　　論文利用Silvaco軟件對(duì)器件的變溫特性進(jìn)行了仿真，首先介紹了Silv

2、aco的基本模型及數(shù)值計(jì)算方法，然后對(duì)比了不同器件結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶圖差異。接著分別研究了器件在不同溫度下的電場(chǎng)分布和熱分布特性，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，電場(chǎng)強(qiáng)度減弱。在150K~450K溫度范圍內(nèi)對(duì)晶格溫度進(jìn)行了提取，發(fā)現(xiàn)器件的強(qiáng)場(chǎng)高溫點(diǎn)基本上位于器件柵極靠近漏極一側(cè)的亞微米區(qū)域，并提出了降低結(jié)溫和減小自熱效應(yīng)的方法。接著，在低溫77K~200K范圍內(nèi)對(duì)器件的輸出和轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，器件的飽和輸出電流增大，跨導(dǎo)峰值增加。從轉(zhuǎn)

3、移曲線中又進(jìn)一步得到了閾值電壓隨溫度的變化關(guān)系，由于閾值電壓主要與二維電子氣的密度有關(guān)，所以利用1D Possion仿真軟件在50K~500K溫度下對(duì)2DEG的濃度及AlGaN和GaN的導(dǎo)帶差進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低導(dǎo)帶差增大，所以低溫下溝道電子數(shù)量增多。此外，還進(jìn)一步分析了Al組分和勢(shì)壘層厚度對(duì)2DEG濃度的影響。
　　論文在77K~270K下對(duì)AlGaN/GaN HEMT器件進(jìn)行了低溫直流特性測(cè)試，對(duì)器件的輸出特性和轉(zhuǎn)移

4、特性分別進(jìn)行了分析，得到的結(jié)論與仿真結(jié)果相當(dāng)吻合。并用TLM測(cè)量的方法研究了溫度對(duì)電子遷移率的影響，發(fā)現(xiàn)遷移率隨溫度的降低而增大，并對(duì)影響電子遷移率的不同散射機(jī)制進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。論文還利用DLTS（深能級(jí)瞬態(tài)譜儀）對(duì)器件的變溫 C-V特性和陷阱特性進(jìn)行了測(cè)試和分析，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低器件的閾值電壓正向漂移這一反?，F(xiàn)象，認(rèn)為可能是由于界面態(tài)陷阱的影響導(dǎo)致了C-V曲線的不穩(wěn)定，我們通過(guò)Arrenius分析對(duì)陷阱進(jìn)行了表征，并推測(cè)出陷阱的類型

5、，確定了陷阱的能級(jí)位置和俘獲截面。
　　論文在400K-120K溫度范圍內(nèi)對(duì)AlGaN/GaN器件的正反向柵漏電特性進(jìn)行了研究，用熱電子發(fā)射模型提取了理想因子和肖特基勢(shì)壘高度。發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于200K時(shí)，漏電流幾乎不隨溫度變化，因此推斷出FN（Fowler-Nordheim）隧穿機(jī)制是低溫下漏電的主導(dǎo)機(jī)制。對(duì)反向漏電機(jī)制用FP（Frenkel-Poole）發(fā)射和FN隧穿模型分別進(jìn)行了分析，提取出的高頻介電常數(shù)ε??和陷阱勢(shì)壘高度E?