GaN基電子器件中極化庫倉場散射機(jī)制研究.pdf

1、GaN材料由于其禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)越性能，使得GaN基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFETs)非常適合應(yīng)用于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件以及藍(lán)、綠光和紫外光電子器件，在無線通信基站、衛(wèi)星、雷達(dá)、汽車電子、航空航天、核工業(yè)、軍用電子等國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
　　GaN基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管器件主要包括:AlGaN/GaNHFETs、InAlN/GaNHFETs和

2、AlN/GaNHFETs，雖然GaN基HFETs器件已經(jīng)發(fā)展到較高的性能水平，但是仍然受到電流崩塌、器件可靠性等諸多問題的約束，這些器件的高頻和大功率性能仍有進(jìn)一步改善和提升的空間。GaN基HFETs材料與器件的特性參數(shù)，例如2DEG電子密度和電子遷移率、勢壘層極化電荷密度、肖特基接觸勢壘高度、亞閾值擺幅、器件開關(guān)電流比等都會直接影響器件的頻率和功率特性。因此，系統(tǒng)地研究GaN基HFETs器件的特性參數(shù)，對改善器件的功率和頻率性能有著重

3、要的意義。2007年J.Z.Zhaoetal以及2011年Y.J.Lvetal研究表明AlGaN/GaN和AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中影響2DEG電子遷移率的散射機(jī)制主要為:極化庫侖場散射、極化光學(xué)聲子散射以及界面粗糙散射。但是極化庫侖場散射的存在只從實(shí)驗(yàn)上得到了證實(shí)，理論模型尚未建立，因此研究低電場下極化庫侖場散射理論模型至關(guān)重要。此外，將極化庫侖場散射同器件的特性參數(shù)（亞閾值擺幅、器件開關(guān)電流比等）結(jié)合起來研究，對提升

4、器件的特性也非常重要。本文系統(tǒng)研究了AlGaN/GaNHFETs和InAlN/GaNHFETs中極化庫侖場散射機(jī)制，建立了極化庫侖場散射機(jī)制的理論模型，還對這些GaN基電子器件參數(shù)與極化庫侖場散射的關(guān)聯(lián)關(guān)系開展了研究，具體包括以下內(nèi)容:
　　1、AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中極化庫侖場散射理論模型及其應(yīng)用研究(a)邊歐姆接觸工藝對AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中極化庫侖場散射的影響。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試得到的由邊歐姆

5、接觸工藝和正常歐姆接觸工藝制作的圓形和方形AlGaN/AlN/GaNHFETs器件的C-V曲線和I-V輸出特性曲線，利用遷移率計(jì)算公式，得到了在源漏電壓為0.1V時(shí)圓形和方形AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中2DEG電子遷移率隨柵偏壓的變化曲線。研究發(fā)現(xiàn)在由邊歐姆接觸工藝制作的器件中，幾乎所有的圓形和方形器件的2DEG電子遷移率都隨著柵偏壓的升高而下降;但在由正常歐姆接觸工藝制作的器件中，柵面積較小器件的2DEG電子遷移率隨柵偏

6、壓的升高而上升;對此我們對AlGaN/AlN/GaNHFETs器件做了電子能譜測試，并結(jié)合極化庫侖場散射、極化光學(xué)聲子散射和界面粗糙散射給出了詳細(xì)的解釋并得到如下結(jié)論:由極化電荷密度分布不均勻引起的極化庫侖場散射同正常歐姆接觸工藝和柵偏壓息息相關(guān)，而邊歐姆接觸工藝大大減弱了AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中的極化庫侖場散射。
　　(b)AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中的極化庫侖場散射理論模型研究。根據(jù)AlGaN/

7、AlN/GaNHFETs器件中極化庫侖場散射起源的研究可以得到器件源漏歐姆接觸間AlGaN/AlN界面極化電荷的分布，進(jìn)一步可以計(jì)算得到該散射機(jī)制的微擾勢，從而推導(dǎo)得到該散射機(jī)制的理論公式;對于制作的AlGaN/AlN/GaNHFETs器件，結(jié)合極化光學(xué)聲子散射、界面粗糙散射以及壓電散射，可以從理論上計(jì)算得到器件的2DEG電子遷移率，而且理論計(jì)算值同實(shí)驗(yàn)上得到的2DEG電子遷移率數(shù)值非常吻合。這就從理論上證實(shí)了AlGaN/AlN/GaN

8、HFETs器件中極化庫侖場散射的存在，也證明了極化庫侖場散射在AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中是一種重要的散射機(jī)制。
　　(c)AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中極化庫侖場散射對器件亞閾值擺幅的影響?；趯?shí)驗(yàn)測試得到的耗盡型AlGaN/AlN/GaNHFETs器件的C-V曲線、I-V輸出特性曲線以及亞閾值特性曲線（IDS-VGS），可得到極化庫侖場散射同亞閾值擺幅之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)在極化庫侖場散射作用較強(qiáng)的器件

9、中，亞閾值擺幅值S同極化庫侖場散射較弱的器件的S相比減小了26％。說明在耗盡型AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中，極化庫侖場散射會大大改善器件的亞閾值特性。
　　2、InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管中極化庫侖場散射機(jī)制研究
　　(a)柵金屬面積對In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs器件中2DEG電子遷移率的影響研究?；趯?shí)驗(yàn)測試得到的方形和圓形In0.18Al0.82N/AlN/GaNHF

10、ETs器件的C-V曲線和I-V輸出特性曲線，利用推導(dǎo)得到的遷移率計(jì)算公式，得到了源漏電壓0.1V時(shí)不同肖特基柵面積方形和圓形In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs器件中2DEG電子遷移率隨柵偏壓的變化曲線。研究發(fā)現(xiàn)柵面積較小器件的2DEG電子遷移率隨柵偏壓的升高而上升;但柵面積較大器件的2DEG電子遷移率隨柵偏壓的升高而下降;同一柵偏壓下，2DEG電子遷移率隨柵面積的增大而上升。對此我們對In0.18Al0.82N/AlN

11、/GaNHFETs器件做了電子能譜測試，結(jié)合極化庫侖場散射、極化光學(xué)聲子散射和界面粗糙散射給出了詳細(xì)的解釋并得到了如下結(jié)論:由歐姆接觸工藝和柵偏壓引起的In0.18Al0.82N/AlN界面極化電荷分布不均勻?qū)е碌臉O化庫侖場散射在In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs器件中是一種重要的散射機(jī)制。
　　(b)邊歐姆接觸工藝對In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件中極化庫侖場散射影響的研究。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試

12、得到的由邊歐姆接觸工藝和正常歐姆接觸工藝制作的方形和圓形In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件的C-V曲線和I-V輸出特性曲線，利用推導(dǎo)得到的遷移率計(jì)算公式，可以得到源漏電壓為0.1V時(shí)方形和圓形In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件2DEG電子遷移率隨柵偏壓的變化曲線。研究發(fā)現(xiàn)在同一柵偏壓下，通過邊歐姆接觸工藝制作的器件2DEG電子密度隨著柵金屬面積的增大而升高;而通過正常歐姆接觸工藝制作的器件2D

13、EG電子密度變化不大而且無規(guī)律。邊歐姆接觸工藝制作的方形和圓形器件的2DEG電子遷移率隨柵偏壓的變化趨勢都比正常歐姆接觸工藝制作的器件2DEG遷移率隨柵偏壓的變化趨勢緩慢;對此，我們對In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件做了電子能譜測試，并結(jié)合極化庫侖場散射、極化光學(xué)聲子散射和界面粗糙散射做出了詳細(xì)的解釋并得到如下結(jié)論:由極化電荷密度梯度引起的極化庫侖場散射同正常歐姆接觸工藝和柵偏壓息息相關(guān)，而邊歐姆接觸工藝大大減弱

14、了In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件中的極化庫侖場散射;另外，柵偏壓對In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件中極化庫侖場散射的影響要遠(yuǎn)強(qiáng)于其對AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中極化庫侖場散射的影響，邊歐姆接觸工藝使得In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件中的2DEG電子密度比正常歐姆接觸工藝制作器件的2DEG電子密度大2倍。
　　(c)從正向I-V曲線獲取In0.1

15、8Al0.82N/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基二極管勢壘高度。基于雙二極管模型以及熱離子發(fā)射理論，通過理論分析和公式推導(dǎo)，可以從In0.18Al0.82N/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基二極管的正向I-V曲線分析得到其平帶電壓V0，然后結(jié)合平帶電壓與零電場下勢壘高度的關(guān)系式，通過薛定諤和泊松方程自洽迭代計(jì)算可以得到肖特基二極管的勢壘高度。
　　3、AlGaN/AlN/GaN、In0.18Al0.82N/AlN/GaN和AlGaAs/Ga

16、As異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管低電場下2DEG電子遷移率比較研究
　　基于實(shí)驗(yàn)測試得到的AlGaN/AlN/GaN、In0.18Al0.82N/AlN/GaN和AlGaAs/GaAsHFETs器件C-V曲線和I-V輸出特性曲線，利用推導(dǎo)得到的遷移率計(jì)算公式，可得到源漏電壓為0.1V時(shí)HFETs器件2DEG電子遷移率隨外加?xùn)牌珘旱淖兓€。研究發(fā)現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ氮化物（AlGaN/AlN/GaN和In0.18Al0.82N/AlN/GaN）HFET