InAlN-AlN-GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管可靠性研究.pdf

1、GaN材料由于具有禁帶寬度大、擊穿電場強(qiáng)、飽和電子漂移速度大及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點，在高溫、高壓、微波、大功率器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。如今，GaN基HFETs器件已經(jīng)發(fā)展到較高的性能水平，但是仍然受到電流崩塌、器件可靠性等問題的困擾，進(jìn)而制約了器件高頻、大功率性能的進(jìn)一步提升。InAlN/GaN材料體系為大功率、高頻應(yīng)用提供了一個非常具有吸引力的選擇。InAlN在In組分為17％時能夠晶格匹配生長到GaN上而且電荷面密度大約是典型Al

2、GaN/GaNHFETs的兩倍。如此高的電荷面密度緣于In0.17Al0.83N/GaN具有較傳統(tǒng)Al0.2Ga0.8N/GaN四倍多的自發(fā)極化強(qiáng)度。這些特性使得InAlN/GaN可以被用來制作高電流密度、低導(dǎo)通電阻、大幅度等比例縮小以及可單片集成的常開或常關(guān)HFET，有望取代AlGaN/GaN。
　　盡管GaN基HFETs器件在高溫、高頻、大功率電子器件等領(lǐng)域有著非常誘人的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景，但是器件可靠性問題還未能得到完美

3、的解決，阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用乃至取代硅基器件的進(jìn)程。本論文正是在可靠性問題的引領(lǐng)下，對InAlN/AlN/GaN材料結(jié)構(gòu)和器件做了如下研究工作并得到了一些重要結(jié)論:
　　1.InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管勢壘層應(yīng)變研究。應(yīng)變與逆壓電效應(yīng)直接相關(guān)，是帶來器件可靠性問題的一個重要原因。理論上，In組分為17％的InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，InAlN層不存在應(yīng)變。但是實際材料結(jié)構(gòu)或者器件結(jié)構(gòu)中InAlN層是否

4、存在應(yīng)變還有待驗證。我們首先介紹了一種計算InAlN/AlN/GaNHFET柵下勢壘層應(yīng)變的方法，然后利用這種方法分別對正常歐姆工藝和邊歐姆工藝InAlN/AlN/GaNHFETs柵下勢壘層的應(yīng)變進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)這兩種不同工藝下的器件中InAlN勢壘層均存在大小不可忽略的壓應(yīng)變，零柵偏壓下溝道二維電子氣密度都隨應(yīng)變程度的增大而減小。還發(fā)現(xiàn)源漏歐姆工藝中歐姆金屬原子向勢壘層中的橫向擴(kuò)散是造成InAlN勢壘層中存在壓應(yīng)變的一個非常重要的原因

5、。但是同時還存在其他因素影響勢壘層的應(yīng)變以及源漏之間勢壘層應(yīng)變的分布，確定這些因素還有待進(jìn)一步的研究。
　　2.InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料界面陷阱態(tài)研究。GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中的陷阱態(tài)可能造成器件工作時的電流崩塌，影響器件可靠性。本論文利用電導(dǎo)法對InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中InAlN/GaN界面處的陷阱態(tài)進(jìn)行研究，提取出了界面陷阱態(tài)密度和時間常數(shù)，分別為(0.96～3.36)×1013cm-2eV-1和(

6、0.29～1.61)μs。發(fā)現(xiàn)在閾值電壓附近，界面陷阱態(tài)對C-V曲線的頻散起主導(dǎo)作用，而表面陷阱態(tài)的影響可以忽略。另外，界面陷阱態(tài)時間常數(shù)隨偏壓的變化關(guān)系說明GaN禁帶中具有更高能量狀態(tài)的界面陷阱態(tài)通常能夠更快地俘獲和發(fā)射電子。最后，通過計算InAlN勢壘層的應(yīng)變對InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中高的界面陷阱態(tài)密度從InAlN勢壘層應(yīng)變的角度作出了嘗試性的解釋。
　　3.InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管退化研究