GaN HEMT器件和GaAs PHEMT器件對比特性研究.pdf

1、近幾十年以來，人類社會經(jīng)歷了三次半導(dǎo)體材料帶動的產(chǎn)業(yè)革命。第一代Si、Ge材料、第二代GaAs材料和InP以及第三代寬禁帶GaN和SiC材料分別引領(lǐng)了微電子領(lǐng)域的發(fā)展浪潮，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的三次飛躍。
　　GaN以其較高的禁帶寬度、高擊穿電場等優(yōu)勢，使GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)作為第三代半導(dǎo)體器件的優(yōu)秀代表，在高頻微波、大功率、抗高壓等方面被廣泛應(yīng)用，在國防、通信、照明、電力、航空航天等領(lǐng)域具有不可替代的地位。
　　G

2、aN材料是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，它具有與眾不同的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，使得基于GaN的HEMT器件可以在非摻雜的情況下產(chǎn)生二維電子氣。這在HEMT器件中是一巨大的優(yōu)勢。但是這兩種極化效應(yīng)也會在器件溝道內(nèi)產(chǎn)生一種獨(dú)有的散射，稱為極化庫侖場散射（PCF散射）。PCF散射源于GaN HEMT器件源漏間AlGaN勢壘層應(yīng)變分布的不均一性，這種非均勻性使得沿AlGaN/GaN異質(zhì)界面的極化電荷分布不均，從而產(chǎn)生PCF散射。已有的PCF散射研究僅

3、局限于GaN HEMT器件本身，而沒有深入地與其它材料體系的器件進(jìn)行對比分析研究。本文的GaN HEMT器件與GaAs PHEMT器件對比研究則填補(bǔ)了這一空白。
　　GaAs材料與GaN材料一樣，均為直接帶隙半導(dǎo)體。它具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。GaAs贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT)不存在GaN HEMT器件固有的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，其二維電子氣來源于勢壘層的摻雜。兩者都通過柵極來調(diào)控溝道載流子的輸運(yùn)，因此GaAs PHEMT是

4、首選的對比器件。通過對比分析研究，可進(jìn)一步明確PCF散射在GaN HEMT器件中的獨(dú)特作用，為進(jìn)一步提升GaN HEMT器件特性奠定基礎(chǔ)。
　　本文分別制備了源漏間距為20μm和100μm的不同柵長的GaN HEMT和GaAs PHEMT的中央柵型器件，并對其進(jìn)行了對比研究。
　　1.GaN HEMT器件和GaAs PHEMT器件的載流子遷移率對比研究。分別測試了GaN HEMT器件和GaAs PHEMT器件的電容-電壓(C

5、-V)特性、電流-電壓(I-V)輸出特性、二極管特性和柵源寄生串聯(lián)電阻（Rs）特性。通過對比分析GaN HEMT器件和GaAs PHEMT器件載流子遷移率發(fā)現(xiàn):在GaN HEMT器件中，載流子遷移率隨柵偏壓（Vg）變化趨勢明顯與柵長和源漏間距相關(guān)。隨著柵長與源漏間距之比Lg/Lsd的減小，PCF散射比重上升，當(dāng)PCF散射起主導(dǎo)作用時(shí)，載流子遷移率隨柵偏壓增大呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。相同Lg/Lsd比例下，隨著柵長Lg的減小，PCF散射增強(qiáng)。

6、在更短的柵長溝道內(nèi)，AlGaN勢壘層應(yīng)變分布非均勻性增強(qiáng)，PCF散射的作用更強(qiáng)。在GaAs PHEMT器件中，載流子遷移率隨柵偏壓變化趨勢與柵長和源漏間距無關(guān)。不同柵長GaAs PHEMT器件的載流子遷移率變化趨勢均顯著地表現(xiàn)為隨柵偏壓先上升后下降，并且此趨勢不隨柵長以及Lg/Lsd的變化而改變。在柵偏壓較小時(shí)，電離雜質(zhì)散射起主導(dǎo)作用。隨著二維電子氣(2DEG)面密度的增加，2DEG對電離雜質(zhì)散射的庫侖屏蔽作用增強(qiáng)，載流子遷移率隨著Vg

7、的增加而提高，達(dá)到極值點(diǎn)后（此時(shí)第二子能帶開始填充），隨Vg繼續(xù)增大，2DEG電子密度增加，電離雜質(zhì)散射繼續(xù)減弱，極化光學(xué)聲子散射（POP散射）和界面缺陷散射增強(qiáng)并成為主導(dǎo)散射機(jī)制，載流子遷移率隨Vg的增加而下降。GaN HEMT器件與GaAs PHEMT器件載流子遷移率隨Vg變化曲線差異主要源于GaN HEMT器件獨(dú)有的PCF散射。
　　2.GaN HEMT器件和GaAs PHEMT器件的柵源寄生串聯(lián)電阻Rs特性對比研究。Rs特

8、性直接決定了器件跨導(dǎo)。根據(jù)柵探針(Gate Probe)方法測試兩者隨柵偏壓變化的Rs特性，對Rs隨柵偏壓變化特性進(jìn)行了分析。分析表明，GaN HEMT器件的Rs隨柵電流的增大而增強(qiáng)，GaAs PHEMT器件的Rs隨柵電流的增加而減弱;對應(yīng)相同器件結(jié)構(gòu)的GaN HEMT和GaAs PHEMT，GaN HEMT器件Rs的變化率遠(yuǎn)大于GaAs PHEMT器件Rs的變化率。兩者的區(qū)別在于:對GaN HEMT器件而言，PCF散射是導(dǎo)致不同柵電流

9、下Rs變化的主要原因;而對于GaAsPHEMT器件而言，Rs變化與電離施主雜質(zhì)庫侖散射有關(guān)。GaN HEMT器件沒有摻雜，不存在雜質(zhì)庫侖散射，其Rs變化原因只能來源于PCF散射。
　　3.GaN HEMT器件和GaAs PHEMT器件的跨導(dǎo)特性對比研究。通過測定兩者的轉(zhuǎn)移特性曲線，微分求導(dǎo)得到相應(yīng)的跨導(dǎo)特性。發(fā)現(xiàn)兩者的跨導(dǎo)特性均表現(xiàn)為隨柵偏壓的增加而先升高后下降。在跨導(dǎo)降低區(qū)間，GaAs PHEMT器件的跨導(dǎo)負(fù)增長率比GaN HE