AlGaN-GaN HEMT器件物理模型和關(guān)鍵工藝技術(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)的si和GaAs基微波功率器件已經(jīng)接近其性能極限，難以滿足不斷增長的應(yīng)用需求。由于具有材料參數(shù)上的優(yōu)勢，新興的GaN和SiC基寬禁帶半導體器件可突破上述限制，達到常規(guī)半導體難于企及的性能指標。其中A1GaN/GaN HEMT被認為在1～50GHz頻率范圍具有很大應(yīng)用潛力，其研究工作在近年來受到廣泛關(guān)注。目前AlGaN/GaN HEMT的器件物理和工藝技術(shù)還不成熟，本文圍繞這兩方面開展了工作，從而有以下結(jié)果。 1.綜合應(yīng)用微擾

2、法和變分方法，求出了有限深三角形量子勢阱中Poisson-Shroedinger。方程組的基態(tài)波函數(shù)和基態(tài)能級。所導出的公式簡潔有效，物理意義明確，可直接應(yīng)用于器件研究。對于.Al<,0.2>Ga<,0.8>N/GaN異質(zhì)結(jié)典型結(jié)構(gòu)的計算表明，二維電子氣最低子能帶底部能級和費米能級分別位于勢阱底部上方0.19eV和0.29eV處，這與公開發(fā)表的數(shù)值計算結(jié)果0.19eV和0.28eV相當接近，誤差在10meV左右。 2.建立了用于

3、在指定工作條件下優(yōu)化AlGaN/GaN HEMT場板設(shè)計的解析模型，獲得到了場板幾何參量與器件電學參量的關(guān)系；并確定了優(yōu)化場板結(jié)構(gòu)的原則，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的場板介質(zhì)厚度與給定的工作漏壓呈近似線性關(guān)系。該模型對柵場板和源場板的情況都適用。通過對AlGaN/GaN HEMT電場分布的研究，發(fā)現(xiàn)受主陷阱效應(yīng)顯著影響溝道電場峰，改變器件擊穿特性。定義了表征陷阱效應(yīng)與擊穿特性關(guān)系的特征量。 3.鑒于與AlGaN/GaN HEMT電流崩塌效應(yīng)相關(guān)的

4、表面陷阱充電過程用常規(guī)方法難于監(jiān)測，建立了一種新的電學測試方法。實驗探測到了電壓應(yīng)力條件下表面陷阱電荷的動態(tài)平衡態(tài)。確定出所測器件表面充電過程的時間常數(shù)為0.38s，證實表面陷阱之間存在電荷輸運過程。并通過柵延遲測試實驗，監(jiān)測到應(yīng)力后電流崩塌馳豫過程具有小于0.1s和大于10s兩類時間常數(shù)。這證實了在表面放電時表面陷阱之間也存在電荷輸運過程。測量得出了脈沖大信號條件下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜電阻的變化規(guī)律，定義了相應(yīng)的特征參量，可

5、用于表征與電流崩塌效應(yīng)相關(guān)的器件特性。 4.建立了利用背靠背肖特基結(jié)構(gòu)對GaN薄膜及其肖特基接觸進行測試的新方法，可得到材料電導遷移率、肖特基接觸的理想因子和勢壘高度。該方法避免了復(fù)雜的歐姆接觸制備過程，可推廣用于歐姆接觸難于形成或者其制備工藝顯著影響材料特性的情況。 5.以Ti/Al和Ti/Al/Ni/Au兩種不同的合金結(jié)構(gòu)研究了GaN上歐姆接觸的制造工藝和形成機理。在非故意摻雜GaN薄膜上制成了高質(zhì)量的Ti/Al/N

6、i/Au的歐姆接觸，其比接觸電阻為6.6×10<'-6> Ω·cm<'-2>。對于上述兩種金屬，試驗發(fā)現(xiàn)退火溫度高于700℃時歐姆接觸才開始形成。經(jīng)俄歇電子能譜儀分析表明，在GaN表面形成歐姆接觸需要Al層與Ti層發(fā)生固相反應(yīng)，并且GaN表面有部份N元素擴散進入金屬層?；谙嚓P(guān)工藝實驗，完成了AlGaN/GaN HEMT的試制。 綜上所述，在器件物理的研究中，本文旨在對與AlGaN/GaN HEMT高頻大功率性能密切相關(guān)的器件效