GaN基異質(zhì)結(jié)及高電子遷移率晶體管的關(guān)鍵機(jī)理研究.pdf

1、GaN高電子遷移率晶體管HEMT)器件已表現(xiàn)出了出色的微波功率性能，但大量基礎(chǔ)性的機(jī)理問題仍沒有研究清楚。本文正是在此背景下對(duì)GaN基異質(zhì)結(jié)中量子化二維電子氣(2DEG)的載流子分布和遷移率、體電子的性質(zhì)、電子體系的溫度特性等問題進(jìn)行了廣泛而深入的研究，對(duì)GaN基HEMT器件的二維仿真以及DC電流不穩(wěn)定性的表征和仿真等問題進(jìn)行了探索。主要的研究工作和成果如下： 1.實(shí)現(xiàn)了對(duì)GaN基異質(zhì)結(jié)能帶和載流子分布的一維自洽模擬。

2、實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)值求解自洽薛定諤——泊松方程模型的一維模擬器并應(yīng)用于GaN基異質(zhì)結(jié)。在迭代求解算法中納入了在相關(guān)數(shù)值物理模型和數(shù)學(xué)求解策略方面已有的研究成果，形成新的求解策略；在對(duì)電子體系的考量方面，同時(shí)考慮了2DEG和體電子，與實(shí)際情形更接近；在選取邊界條件方面，對(duì)相關(guān)的一些基本的物理問題如GaN基異質(zhì)結(jié)中極化效應(yīng)的屏蔽情形，泊松方程可能的邊界條件及各種邊界條件之間的等效性等作了深入的分析，同時(shí)對(duì)GaN基異質(zhì)結(jié)中表面態(tài)與2DEG電子來源的

3、關(guān)系提出了新的看法。 2.研究了GaN基異質(zhì)結(jié)的極化效應(yīng)在各種結(jié)構(gòu)中的作用。 研究并說明了AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)中極化效應(yīng)加深量子阱、提高2DEG面電子密度的作用，對(duì)于利用極化效應(yīng)提高有效勢壘高度的GaNlAlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)、能夠形成兩層2DEG的AIGaN/GaN/A1GaN/GaN結(jié)構(gòu)、以及具有更強(qiáng)壓電極化效應(yīng)的A1GaN/InGaN/GaN結(jié)構(gòu)得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)載流子和能帶分布的影響。對(duì)GaN基異質(zhì)結(jié)的極化

4、工程作了深入的分析和研究，具有新意。 3.結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了GaN基異質(zhì)結(jié)霍爾電子濃度的溫度特性和AlN阻擋層插入AIGaN/GaN異質(zhì)界面的影響。 充分利用薛定諤——泊松模型能同時(shí)考慮電子體系中二維電子和體電子的特點(diǎn)，研究了GaN基異質(zhì)結(jié)中體電子的作用和整個(gè)電子體系的溫度特性，顯示了溫度升高時(shí)電子從2DEG向體電子的轉(zhuǎn)變。在計(jì)算霍爾電子濃度的溫度特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)了2DEG在溫度升高時(shí)的退化，通過變溫C-V實(shí)驗(yàn)測得的載流子密度剖

5、面圖，證明了這種退化現(xiàn)象確實(shí)存在。發(fā)現(xiàn)了具有較高密度2DEG的AIGaN/A1N/GaN異質(zhì)結(jié)在勢壘層摻雜濃度和溫度升高時(shí)也具有較純粹且穩(wěn)定的二維電導(dǎo)，這個(gè)結(jié)果是2DEG的量子性質(zhì)和極化效應(yīng)結(jié)合表現(xiàn)出的更高層次的效應(yīng)。這部分結(jié)果是本文的創(chuàng)新。 4.研究了GaN基異質(zhì)結(jié)中2DEG遷移率和電導(dǎo)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，揭示了其中各種機(jī)制的作用，以及應(yīng)變弛豫的影響。 當(dāng)AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的勢壘層Al組分增大時(shí)，2DEG密度近

6、線性上升，遷移率總體上是下降的。要在較小的Al組分(相應(yīng)的2DEG密度也較小)下使遷移率計(jì)算曲線呈現(xiàn)與測量數(shù)據(jù)一致的趨勢，必須考慮位錯(cuò)密度隨著Al組分的變化，以減小位錯(cuò)相關(guān)散射在較低2DEG密度下的影響。當(dāng)A1GaN/GaN異質(zhì)結(jié)的勢壘層厚度增大時(shí)，2DEG密度上升隨后趨于飽和，遷移率總體上是下降的。2DEG電導(dǎo)隨Al組分以及勢壘層厚度變化的規(guī)律在低溫和室溫下不同，低溫下有峰值，而室溫時(shí)總體呈上升趨勢。勢壘層Al組分或厚度增大時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)

7、變弛豫對(duì)電導(dǎo)的作用是不利的，它對(duì)2DEG遷移率的影響主要是通過遷移率和密度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。這部分結(jié)果及所反映的物理機(jī)理也是本文的創(chuàng)新。 5.成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)GaN基HEMT的器件仿真。對(duì)GaN基HEMT器件的DC電流不穩(wěn)定性作了一些測量、觀察和分析，利用不同偏置下的漏極電流恢復(fù)瞬態(tài)和崩塌瞬態(tài)的時(shí)間常數(shù)變化說明了造成所觀察的瞬態(tài)的陷阱性質(zhì)為電子陷阱。以測得的漏極電流慢瞬態(tài)為仿真目標(biāo)，利用ATLAS作了單純基于陷阱模型的仿真嘗試，成功之處

8、在于復(fù)現(xiàn)了虛柵行為的變化趨勢，不足之處在于未能仿真出強(qiáng)場對(duì)虛柵效應(yīng)的顯著增強(qiáng)作用，仍需進(jìn)一步建模。其中主要是對(duì)漏極電流慢瞬態(tài)的仿真和分析具有創(chuàng)新。 綜上所述，本文成功建立了GaN基異質(zhì)結(jié)能帶和載流子分布的一維自洽模擬平臺(tái)，研究和對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)GaN基HEMT器件的特性。在GaN基異質(zhì)結(jié)的極化工程和2DEG遷移率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系、異質(zhì)結(jié)中體電子的性質(zhì)、電子體系的溫度特性以及應(yīng)變弛豫對(duì)2DEG電導(dǎo)的作用以及GaN基HEMT器件的漏極