高K柵介質(zhì)AlGaN-GaN MOS-HEMT器件研究.pdf

1、本文研究了基于GaN及其三元合金AlGaN的AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)材料系統(tǒng)和330-340nm紫外(UV)AlxGa1-xN/AlyGa1-yN，AlxGa1-xN/GaN多量子阱材料系統(tǒng)。分析了AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)材料中二維電子氣(2DEG)的來源，測量分析了AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)材料中2DEG遷移率及面密度的高溫特性。使用X射線衍射(XRD)對AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱材料的結(jié)構(gòu)進

2、行了分析。室溫下光致發(fā)光(PL)譜測量表明AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱發(fā)光強度比AlxGa1-xN/GaN多量子阱高一個數(shù)量級以上。使用變溫PL譜研究了AlxGa1-xN/AlyGa1-yN和AlxGa1-xN/GaN多量子阱材料中的激子局域化效應(yīng)，研究結(jié)果表明AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱具有比AlxGa1-xN/GaN多量子阱更強的局域化效應(yīng)，強的局域化效應(yīng)能夠有效降低激子對AlxGa1-xN/Al

3、yGa1-yN多量子阱中缺陷的敏感度，從而提高發(fā)光效率，使其內(nèi)部量子效率明顯高于AlxGa1-xN/GaN多量子阱，更適合作為330-340nm多量子阱發(fā)光材料。使用變功率PL譜研究了AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱和AlxGa1-xN/GaN多量子阱中量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)對于量子阱發(fā)光的影響，研究表明AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱中應(yīng)力相對較弱，斯塔克效應(yīng)也弱，具有相對高的發(fā)光效率。最后通過直流

4、和脈沖電致發(fā)光(EL)比較研究了AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱中的熱問題，發(fā)現(xiàn)在脈沖條件下，熱作用消除后，EL發(fā)光波長基本不隨脈沖電流的增加而變化，但發(fā)光線寬仍然隨著脈沖電流的增加而增加，這說明發(fā)光線寬的增加還與其它因素有關(guān)。
　　 本文通過電容-電壓(C-V)分析研究了制作的高K介質(zhì)AlGaN/GaN金屬氧化物半導體(MOS)電容的基本特性，計算得到了高K介質(zhì)AlGaN/GaN MOS電容中的載流子濃度分布及面

5、密度。通過C-V滯后特性分析了高K介質(zhì)的質(zhì)量以及高K介質(zhì)與AlGaN勢壘層之間界面的質(zhì)量，并使用C-V滯后法對界面態(tài)密度進行了計算。使用光照C-V法估算了Al2O3/AlGaN之間的界面態(tài)密度。分析了高K介質(zhì)MOS電容的變頻C-V特性，并使用變頻C-V法測量計算了幾種不同MOS電容結(jié)構(gòu)中介質(zhì)層與AlGaN勢壘層之間的界面態(tài)密度。通過C-V滯后，光照C-V和變頻C-V三種方法對AlGaN/GaN MOS電容中高K介質(zhì)層與AlGaN勢壘層之

6、間的界面態(tài)密度的研究表明：HfO2(3nm)/Al2O3(2nm)堆層介質(zhì)MOS中的界面態(tài)密度最小，HfAlO(5nm)復合介質(zhì)MOS和10nm Al2O3介質(zhì)MOS具有最大的界面態(tài)密度，3.5nm Al2O3介質(zhì)MOS的界面態(tài)密度與HfO2(3nm)/Al2O3(2nm)堆層介質(zhì)MOS相當。最后研究了熱處理的方法對于高K介質(zhì)MOS電容特性的影響，對幾種不同高K介質(zhì)MOS電容的耐高溫特性進行了分析，提出了HfAlO復合介質(zhì)層具有良好的耐

7、高溫特性。通過一系列關(guān)于熱處理對于高K介質(zhì)MOS中飽和電容，滯后特性，平帶電壓，泄漏電流和方塊電阻的影響的實驗研究，對高K介質(zhì)MOS電容的熱處理條件進行了優(yōu)化。介紹了原子層淀積(ALD)超薄3.5nm Al2O3為柵介質(zhì)的高性能AlGaN/GaN金屬氧化物半導體高電子遷移率晶體管(MOS-HEMT)。新型AlGaN/GaN MOS-HEMT器件柵長1μm，柵寬120μm，柵壓為+3.0V時最大飽和輸出電流達到720mA/mm，最大跨導達

8、到130mS/mm，開啟電壓保持在-5.0V，器件特征頻率(fT)和最高振蕩頻率(fMAX)分別為10.1GHz和30.8GHz。使用漏極電流注入技術(shù)(DCIT)研究了Al2O3柵介質(zhì)AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的擊穿電壓。3.5nm Al2O3超薄柵介質(zhì)AlGaN/GaN MOS-HEMT器件源漏擊穿電壓VDS達到66V，10nm Al2O3柵介質(zhì)AlGaN/GaN MOS-HEMT器件源漏擊穿電壓VDS達到100V。使用

9、脈沖法研究了超薄3.5nm Al2O3柵介質(zhì)對AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的鈍化作用。該層柵介質(zhì)同時作為MOS-HEMT器件的鈍化層。測試結(jié)果表明在柵脈沖條件下，未鈍化的HEMT器件電流崩塌高達50％；而MOS-HEMT的電流崩塌小于10％，且在變化脈沖寬度情況下無明顯電流崩塌，漏脈沖條件下輸出電流的增加是由于消除了自熱效應(yīng)，柵漏同步脈沖進一步表明原子層淀積超薄3.5nm Al2O3柵介質(zhì)具有很好的表面鈍化特性。
　　

10、 本文介紹了原子層淀積HfO2(3nm)/Al2O3(2nm)高K堆層柵介質(zhì)AlGaN/GaNMOS-HEMT器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及基本電學特性。在高K堆層柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)中，Al2O3(2nm)作為HfO2(3nm)柵介質(zhì)與AlGaN勢壘層之間的界面過渡層，Al2O3界面過渡層與AlGaN勢壘層之間具有很好的界面質(zhì)量，并起到有效的表面鈍化作用。在藍寶石襯底上制作的原子層淀積HfO2(3nm)/Al2O3(2nm)高K堆層柵介質(zhì)AlGaN/GaN

11、 MOS-HEMT器件柵長1μm，柵寬120μm，柵壓為+3.0V時最大飽和輸出電流達到800mA/mm，最大跨導達到150mS/mm，正向偏置下的泄漏電流比通常的HEMT器件低六個數(shù)量級，器件特征頻率(fT)和最高振蕩頻率(fMAX)分別為12GHz和34GHz。而采用原子層淀積HfAlO(5nm)高K復合柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠使器件更適合在高溫下工作，通過向HfO2柵介質(zhì)中摻Al解決了其低結(jié)晶溫度的問題，HfAlO作為柵介質(zhì)有比較高的結(jié)晶溫