GaN電子器件的物理特性模擬及分析.pdf

1、隨著微波技術(shù)的廣泛應(yīng)用，尤其是無線通訊、航空航天、現(xiàn)代國防電子裝備等技術(shù)的飛速發(fā)展以及工作環(huán)境要求的日益苛刻，對電子器件的功率、頻率、耐高溫及抗輻射等性能的要求越來越高。GaN作為一種新興的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，由于具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子漂移速度大、熱導(dǎo)率高、介電常數(shù)小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而成為高溫、高頻、大功率微波電子器件領(lǐng)域的首選材料之一，而在高頻、大功率領(lǐng)域的主要應(yīng)用就是高電子遷移率晶體管(HEM

2、T)，或稱為異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)。
　　在GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管中，2DEG電子遷移率是GaN電子器件的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響著器件的頻率特性和功率特性，因此對2DEG電子遷移率的研究至關(guān)重要。2007年趙建芝等人首次提出了“極化庫侖場散射”的概念，且研究表明極化庫侖場散射是AlGaN/GaN HFETs、AlGaN/AlN/GaN HFETs、InAlN/AlN/GaN HFETs和AlN/GaN HFETs中載流

3、子的重要散射機(jī)制，然這些研究僅限于極化庫侖場散射對GaN電子器件載流子低場(漏源偏壓為0.1V，即VD=0.1V)遷移率的影響。由于器件在實(shí)際工作時(shí)需在漏極、源極和柵極之間加一定的偏壓，在一定的源漏偏壓下，溝道電場分布以及器件尺寸對極化庫侖場散射的影響尚無人研究。極化庫侖場散射作為GaN電子器件中載流子新的散射機(jī)制，其與載流子的相互作用機(jī)理還有待于完善和進(jìn)一步研究。因此本論文的主要目的是研究隨著漏源偏壓的增加，溝道電場分布及器件尺寸等對

4、不同GaN材料體系HFETs電子遷移率的影響，尤其是對極化庫侖場散射的影響，以便建立起極化庫侖場散射機(jī)制的理論模型。具體包括以下內(nèi)容:
　　1.AlGaN/AlN/GaN HFETs線性區(qū)內(nèi)的電子遷移率研究
　　制備了幾個(gè)源漏間距為100μm不同柵長的AlGaN/AlN/GaN HFETs樣品，測試得到了幾個(gè)樣品的C-V特性曲線和I-V輸出特性曲線。首先基于測試數(shù)據(jù)，利用低場遷移率公式求出了不同漏源偏壓下溝道近漏端處的2DE

5、G電子遷移率，然后對求得的電子遷移率隨2DEG面密度的變化曲線進(jìn)行非線性擬合，得到了不考慮電場影響時(shí)的匹配遷移率公式，在此匹配遷移率的基礎(chǔ)上我們給出了一個(gè)與電場相關(guān)的遷移率模型。根據(jù)給出的遷移率模型，使用準(zhǔn)二維模型分別對幾個(gè)AlGaN/AlN/GaN HFETs樣品的I-V輸出特性進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了溝道任意位置點(diǎn)處的2DEG面密度、電子遷移率、溝道電場及電勢等信息。研究了AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率隨漏

6、源偏壓和溝道電場的變化關(guān)系以及柵源偏壓對2DEG電子遷移率的影響，發(fā)現(xiàn)在AlGaN/AlN/GaN HFETs I-V輸出特性曲線的線性區(qū)內(nèi)，極化庫侖場散射依然是影響2DEG電子遷移率的重要散射機(jī)制，通過柵源偏壓和漏源偏壓的調(diào)制可以改變溝道內(nèi)的2DEG面密度，改變極化電荷分布，進(jìn)而影響極化庫侖場散射。
　　2.研究了溝道電場分布對AlGaN/AlN/GaN HFETs電子遷移率的影響
　　(a)基于測試數(shù)據(jù)，利用準(zhǔn)二維模型對

7、幾個(gè)源漏間距為60μm不同柵長AlGaN/AlN/GaN HFETs樣品的I-V特性進(jìn)行了模擬計(jì)算。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2DEG面密度由漏源偏壓調(diào)控時(shí)，電子遷移率隨2DEG面密度的變化出現(xiàn)峰值，對于不同器件尺寸的樣品而言，其峰值點(diǎn)對應(yīng)的2DEG面密度也不同，柵長與源漏間距之比越小，峰值點(diǎn)對應(yīng)的2DEG面密度越高。隨著2DEG面密度的增加，由漏源偏壓調(diào)控2DEG面密度和由柵源偏壓調(diào)控2DEG面密度的電子遷移率差值在不斷減小，并最終趨于一致。四個(gè)樣

8、品在峰值點(diǎn)處的電子遷移率差值可分別高達(dá)1829.9cm2/V·s（樣品a）、1226cm2/V·s（樣品b）、1594.3cm2/V·s（樣品c）和1033.1cm2/V·s（樣品d）。我們對峰值點(diǎn)處2DEG面密度所對應(yīng)的溝道電場分布情況進(jìn)行了分析，并通過計(jì)算得到了溝道不同位置點(diǎn)處AlGaN勢壘層的壓電極化，分析發(fā)現(xiàn)由漏源偏壓調(diào)制2DEG面密度和由柵源偏壓調(diào)制2DEG面密度兩種情況下的溝道電場分布和AlGaN勢壘層的壓電極化均有明顯的區(qū)

9、別。由于極化庫侖場的彈性散射勢正比于AlGaN/AlN界面處的負(fù)極化電荷密度差的絕對值，而分析可知，由柵源偏壓調(diào)控2DEG面密度的總負(fù)極化電荷密度差比由漏源漏源調(diào)控2DEG面密度總的負(fù)極化電荷密度差要高，因此極化庫侖場散射更強(qiáng)，遷移率低。由此可確定由漏源偏壓調(diào)制2DEG面密度和由柵源偏壓調(diào)制2DEG面密度的電子遷移率差值是由極化庫侖場散射引起的，從而表明溝道電場分布對極化庫侖場散射有重要影響。
　　(b)對源漏間距分別為100μm

10、和20μm不同柵長AlGaN/AlN/GaN HFETs的2DEG電子遷移率變化情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)柵長與源漏間距之比較大時(shí)（對應(yīng)柵長與源漏間距之比大于1/2），極化庫侖場散射較弱，在較高的2DEG面密度下，極性光學(xué)聲子散射和界面粗糙度散射起主導(dǎo)作用，電子遷移率隨2DEG面密度的降低（即溝道電場的增加）而增加，當(dāng)2DEG面密度降到一定值時(shí)，對極化庫侖場的屏蔽作用消失，極化庫侖場散射開始起主導(dǎo)作用，遷移率又會(huì)降低，因此遷移率的變化曲線出

11、現(xiàn)峰值。而對于柵長與源漏間距之比較小的器件(對應(yīng)柵長與源漏間距之比小于1/2)，極化庫侖場散射較強(qiáng)，始終起主導(dǎo)作用，因此遷移率隨著2DEG面密度的增加而升高。由此證明，隨著溝道電場的增加，影響遷移率的散射機(jī)制跟柵長與源漏間距之比密切相關(guān)，柵長與源漏間距之比越大，極化庫侖場散射越弱，反之越強(qiáng)。而對于源漏間距為60μm的器件而言，當(dāng)漏源偏壓調(diào)制2DEG面密度時(shí)，雖然幾個(gè)樣品的2DEG電子遷移率均隨2DEG面密度的變化（溝道電場的變化）出現(xiàn)峰

12、值，但可以看出柵長與源漏間距之比越小，峰值點(diǎn)對應(yīng)的2DEG面密度越高，這也充分說明，對于柵長與源漏間距之比較小的器件，其極化庫侖場散射較強(qiáng)。
　　3.研究了InAlN/AlN/GaN HFETs和AlN/GaN HFETs中電子遷移率的變化
　　(a)對幾個(gè)源漏間距100μm不同柵長InAlN/AlN/GaN HFETs樣品的I-V特性進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示AlGaN/AlN/GaN HFETs的模擬方法和使用的遷移率模型同樣

13、適用于InAlN/AlN/GaN HFETs。對InAlN/AlN/GaN HFETs中的2DEG電子遷移率變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率的變化情況類似，在InAlN/AlN/GaN HFETs中，當(dāng)2DEG面密度由漏源偏壓進(jìn)行調(diào)制時(shí)，遷移率隨2DEG面密度的變化曲線也出現(xiàn)峰值，柵長與源漏間距之比越小，峰值點(diǎn)對應(yīng)的2DEG面密度越高，且隨著2DEG面密度的增加，由漏源偏壓調(diào)制2DEG面密

14、度和由柵源偏壓調(diào)制2DEG面密度的電子遷移率差值逐漸減小，并趨于一致，峰值點(diǎn)處的電子遷移率差值可分別高達(dá)1522.9cm2/V·s（樣品1）、1241.1cm2/V·s（樣品2）和1273.2cm2/V·s（樣品3）。分析知，盡管在In0.18Al0.82N/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，InAlN與GaN晶格匹配，不存在應(yīng)力，然而由于在InAlN勢壘層和GaN溝道層中間插入了一層薄的AlN插層，AlN與GaN晶格不匹配，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，溝

15、道電場的變化會(huì)導(dǎo)致AlN插層中的應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而影響到InAlN勢壘層。當(dāng)器件上施加的漏源偏壓和柵源偏壓發(fā)生變化時(shí)，柵金屬下的極化電荷密度也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致在In0.18Al0.82N/AlN/GaN HFETs內(nèi)極化電荷分布不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生極化庫侖場，散射2DEG電子。由此可知，在InAlN/AlN/GaN HFETs中，極化庫侖場散射仍是主要的散射機(jī)制，且溝道電場分布對極化庫侖場散射有重要的影響，由于溝道電場分布的不同，導(dǎo)致由漏源

16、偏壓調(diào)制2DEG面密度和由柵源調(diào)制2DEG面密度的電子遷移率出現(xiàn)差值。此外，器件的柵長與源漏間距之比越小，極化庫侖場散射越強(qiáng)。
　　(b)對源漏間距為60μm不同柵長AlN/GaN HFETs的I-V輸出特性進(jìn)行了模擬計(jì)算，并對AlN/GaN HFETs的2DEG電子遷移率變化進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)在AlN/GaN HFETs中，對于a、b和c三個(gè)樣品而言，其柵長與源漏間距之比較大，當(dāng)2DEG面密度由漏源偏壓調(diào)制時(shí)，在較高的2DEG面密

17、度下，極化庫侖場散射被屏蔽，極性光學(xué)聲子散射和界面粗糙度散射起主要作用，因此遷移率隨2DEG面密度的降低而增加，隨著2DEG面密度的繼續(xù)降低，對極化庫侖場的屏蔽作用減弱，當(dāng)2DEG面密度降低到一定值時(shí)，極化庫侖場散射開始起主導(dǎo)作用，遷移率又會(huì)隨2DEG面密度的降低而降低，因此遷移率變化曲線出現(xiàn)峰值。對于d樣品來說，柵長與源漏間距之比較小，極化庫侖場散射較強(qiáng)，因此遷移率隨2DEG面密度的增加而增加。與AlGaN/AlN/GaN HFETs

18、和InAlN/AlN/GaN HFETs一樣，由漏源偏壓調(diào)制2DEG面密度和由柵源偏壓調(diào)制2DEG面密度的遷移率差值隨2DEG面密度的增加而降低，并最終趨于一致。我們通過計(jì)算得到了溝道電場和AlN勢壘層壓電極化隨溝道位置的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩種調(diào)制情況下的電場分布和勢壘層壓電極化有明顯的不同，由此說明在AlN/GaN HFETs中，溝道電場分布對極化庫侖場散射仍有重要影響，不同的電場分布會(huì)導(dǎo)致極化電荷分布不均勻，進(jìn)而影響極化庫侖場散射，因此