高κ疊柵AlGaN-GaNMOS-HEMT器件特性研究.pdf

1、無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展對高頻大功率器件提出了更高的要求，以便能夠滿足移動互聯(lián)網(wǎng)時代數(shù)據(jù)快速穩(wěn)定交換的需要。GaN材料具有良好的熱導率，大的禁帶寬度，高的載流子遷移率，彌補了以Si和GaAs為代表的前兩代半導體材料固有的一些缺點，在高頻大功率方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，使其迅速脫穎而出，成為研究熱點。
　　為解決HEMT器件肖特基結(jié)導通電壓小，柵極泄漏電流較大等可靠性問題，引入MOS結(jié)構(gòu)。MOS-HEMT器件在一定程度上可以抑制柵極泄

2、漏電流，提高擊穿電壓，擴展器件的應(yīng)用范圍。隨著工藝提升，器件特征尺寸減小，但器件溝道中的電場強度并未減小。氧化層厚度減小，而電場強度增大，直接遂穿幾率增大，柵氧擊穿更易發(fā)生。溝道內(nèi)電場的增大伴隨著器件的載流子遷移率的下降與擊穿電壓的降低。本文主要從這兩個方面對器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行改進，降低泄漏電流，提高擊穿電壓。
　　本文研究的主要課題是高κ疊柵AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的實現(xiàn)及優(yōu)化。通過理論分析對器件進行仿真建模，擬

3、對器件的結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)進行變化，觀察其對器件性能的影響，從而優(yōu)化器件的性能。
　　本文首先仿真對比了MOS結(jié)構(gòu)的HEMT器件相對肖特基結(jié)構(gòu)的HEMT器件的柵極泄漏電流，以及器件的直流特性對比，總結(jié)兩者的優(yōu)劣。然后針對器件異質(zhì)結(jié)溝道摻雜濃度，Al組分的大小，柵介質(zhì)材料，柵介質(zhì)厚度等對溝道中二維電子氣濃度以及載流子遷移率大小的影響。最后本文仿真了偏柵結(jié)構(gòu)器件的基本電學特性，重點研究了此偏柵器件相比于普通器件溝道中電場峰值的改善情況，以

4、及高漏壓情況下對載流子高場遷移率的改善。
　　通過研究發(fā)現(xiàn)，MOS結(jié)構(gòu)確實可以很好的解決當柵壓接近肖特基結(jié)導通電壓時，器件柵極泄漏電流急劇增大的問題，但卻使得柵控能力和跨導降低。繼而，引入高κ介質(zhì)可以改善MOS結(jié)構(gòu)帶來的一些弊端，疊柵結(jié)構(gòu)的引入更是改善了器件的柵極的界面狀態(tài)，抑制了電流崩塌等效應(yīng)。通過基礎(chǔ)理論以及仿真分析之后得出，器件溝道中的二維電子氣隨著AlGaN勢壘層的摻雜濃度和Al組分的增加而增大，但是載流子的遷移率在摻雜濃

5、度較高和Al組分太大時，發(fā)生嚴重退化，直接影響器件的電學特性。因此合適的摻雜濃度有助于提高器件的直流電學特性，同樣合適的Al組分才能使得器件的性能發(fā)揮到最優(yōu)。
　　本文最后仿真了偏柵結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN器件的基本特性，從仿真結(jié)果可以看出，偏柵結(jié)構(gòu)可以降低器件溝道中的電場強度峰值約10％左右，提高了器件的擊穿電壓。改善遷移率隨漏電壓增大的退化，使得漏端飽和電流密度相比于同樣柵壓、漏壓條件下的對稱型器件有約31%的提升，器件的直流