AlGaN-GaN異質結材料與器件的特性參數研究.pdf

1、近年來，AlGaN/GaN異質結場效應晶體管(HFETs)由于其在高溫高頻大功率等方面的廣泛應用前景而成為研究熱點。AlGaN/GaN異質結構材料體系除具有GaN材料的寬帶隙、高擊穿場強、高電子飽和漂移速度、高熱導率和穩(wěn)定的化學性質等優(yōu)越性能外，還具有很大的帶階差，很強的極化效應，即使不用任何摻雜，僅通過極化應力就可以在AlGaN/GaN異質界面的量子阱中產生高達～1013/cm2的二維電子氣(2DEG)密度。以此為基礎制備的AlGaN

2、/GaNHFETs是GaN基電子器件最重要的代表，其具有高跨導、高飽和電流、高截止頻率、高擊穿電壓等優(yōu)良特性。
　　 盡管目前AlGaN/GaNHFETs器件已經發(fā)展到較高的性能水平，已經處于開始商用化的階段，但仍然受到諸多問題的困擾，比如電流崩塌效應、高溫下器件可靠性、小尺寸下AlGaN/GaN應變以及材料所預言的器件性能水平與目前實際制備的器件水平還存在一定的差距，這些問題大大制約了AlGaN/GaNHFETs器件的商業(yè)化進

3、程。AlGaN/GaN異質結材料和器件的特征參數，比如2DEG遷移率、極化電荷密度、AlGaN/GaN應變、異質界面2DEG的分布和AlGaN/GaN異質結肖特基接觸(AlGaN/GaNHFETs的柵金屬電極與AlGaN/GaN異質結形成肖特基接觸)勢壘高度等直接影響著器件的頻率和功率性能。因此，深入研究AlGaN/GaN異質結材料和器件的特征參數對AlGaN/GaNHFETs的發(fā)展具有非常重要的意義。本論文主要研究了AlGaN/AlN

4、/GaNHFETs中2DEG電子遷移率的散射機制、從電流電壓(I-V)和電容電壓(C-V)曲線有效提取AlGaN/GaN異質結肖特基接觸勢壘高度和AlGaN/GaN異質界面的極化電荷密度以及熱退火對AlGaN/GaN異質結肖特基接觸特征參數的影響。具體包括以下內容:
　　 1.AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電子遷移率散射機制的研究。
　　 (a)柵金屬面積對AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電

5、子遷移率的影響。利用歐姆定律，詳細推導了圓形和方形AlGaN/AlN/GaNHFETs中線性工作區(qū)的電流-電壓關系。結合實驗測試得到的圓形和方形AlGaN/AlN/GaNHFETs的C-V特性和I-V輸出特性曲線，利用推導出的電流-電壓關系，計算了在源漏電壓為100mV時，不同肖特基柵面積的圓形和方形AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電子遷移率隨外加柵偏壓的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)對于柵面積小(對應柵長小)的器件2DEG電子遷移率

6、隨柵偏壓的增大而增大，但對于柵面積大的器件(對應柵長大)2DEG電子遷移率隨柵偏壓的增大而減小;同一柵偏壓下，2DEG遷移率隨柵面積的增大而增大。對此我們結合極化梯度庫侖場散射、縱光學聲子散射和界面粗糙散射給出了詳細的解釋。另外我們對比研究了同樣器件尺寸的AlGaN/AlN/GaNHFETs和AlGaN/GaNHFETs中電子遷移率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)極化梯度庫侖場散射在AlGaN/GaNHFETs器件中起到的作用要比在AlGaN/AlN/

7、GaNHFETs器件中起到的作用強。這是由于AlGaN/AlN/GaN比AlGaN/GaN的有效帶階差大，使得2DEG遠離異質界面處的極化電荷所致。
　　 (b)不同源漏間距對AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電子遷移率的影響。結合實驗測試得到的不同源漏間距的方形AlGaN/AlN/GaNHFETs的C-V特性和I-V輸出特性曲線，利用推導出的電流-電壓關系，計算了在源漏電壓為100mV時，不同源漏間距、不同柵面積的

8、方形AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電子遷移率隨外加柵偏壓的變化情況。發(fā)現(xiàn)柵長與源漏間距的比值是決定器件中散射機制的主要原因，而非源漏間距。
　　 (c)不同柵金屬面積、不同源漏間距對AlGaN/AlN/GaNHFETs線性工作區(qū)(較大漏源偏壓下)2DEG電子遷移率的影響。結合實驗測試得到的不同源漏間距的方形AlGaN/AlN/GaNHFETs的C-V特性和I-V輸出特性曲線，利用推導出的電流-電壓關系，計算了不同

9、源漏間距、不同柵面積的方形AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG平均電子遷移率隨外加漏源偏壓和柵偏壓的變化情況。發(fā)現(xiàn)之前所提出的AlGaN/AlN/GaNHFETs中的散射機制可以很好地解釋源漏間距為100μm和60μm的器件中2DEG平均電子遷移率的變化規(guī)律，但卻無法解釋源漏間距小于20μm器件中的2DEG平均電子遷移率的變化規(guī)律，這種反?，F(xiàn)象源于漏源電場對器件溝道極化電荷分布的影響。
　　 2.從正向I-V曲線獲取A

10、lGaN/GaN(AlGaN/AlN/GaN)異質結肖特基勢壘高度。
　　 本論文分別討論了兩種從正向I-V曲線獲取AlGaN/GaN(AlGaN/AlN/GaN)異質結肖特基勢壘高度的方法。方法一是利用測試得到的I-V曲線和雙二極管模型，基于熱離子發(fā)射理論，通過薛定諤和泊松方程自洽求解迭代計算確定有效理查德常數并得到零偏壓下勢壘高度，又利用推導出的零偏壓下和零電場下勢壘高度之間的關系，最終得到AlGaN/GaN(AlGaN/A

11、lN/GaN)異質結肖特基接觸零電場勢壘高度。方法二是通過公式推導和理論分析，從正向I-V曲線分析得到了AlGaN/GaN(AlGaN/AlN/GaN)異質結的平帶電壓，而后利用平帶電壓和零電場勢壘高度的關系式，通過薛定諤和泊松方程自洽求解迭代計算得到肖特基接觸勢壘高度。
　　 3.從正向I-V曲線獲取AlGaN/GaN異質結極化電荷密度。利用I-V曲線首先獲取AlGaN/GaN異質結的平帶電壓，繼而利用公式推導得到AlGaN/

12、GaN異質結極化電荷密度和平帶電壓的簡單關系式，從而得到了一種從正向I-V曲線獲取AlGaN/GaN異質結極化電荷密度的簡單方法。
　　 4.熱退火對AlGaN/GaN異質結肖特基接觸特征參數的影響。
　　 (a)熱退火處理對AlGaN勢壘層應變的影響。對AlGaN/GaN異質結構上的Ni肖特基接觸進行不同溫度和不同時間的熱退火處理，利用測試得到的C-V和I-V曲線，通過自洽求解薛定諤方程和泊松方程計算得到了各個樣品的極

13、化電荷密度，從而發(fā)現(xiàn):600℃退火下，隨著退火時間的增加樣品的二維電子氣密度和極化電荷密度的變化可分為兩個階段:第一個階段，AlGaN中存在應變(即壓電極化)且隨著退火時間的增加應變逐漸減弱;第二個階段，AlGaN勢壘層已完全弛豫，僅存在自發(fā)極化且不隨退火時間而發(fā)生變化。另外退火0.5小時下，當退火溫度小于700℃時，隨著退火溫度的增高，2DEG密度和極化電荷密度逐漸減小，退火僅影響了AlGaN勢壘層的應變;而800C退火不僅影響了Al

14、GaN勢壘層的應變，由于肖特基金屬原子的擴散也影響了AlGaN勢壘層的自發(fā)極化。
　　 (b)熱退火處理對AlGaN勢壘層相對介電常數的影響。對AlGaN/GaN異質結構上的Ni肖特基接觸進行不同溫度和不同時間的熱退火處理，利用測試得到的C-V曲線計算得到了各個樣品中AlGaN勢壘層的相對介電常數。研究發(fā)現(xiàn):AlGaN勢壘層的相對介電常數與AlGaN勢壘層的壓電極化和自發(fā)極化相關。AlGaN勢壘層的相對介電常數正比于AlGaN勢

15、壘層的應變。當AlGaN勢壘層的應變受到熱退火處理而減小時，AlGaN勢壘層的相對介電常數也隨之減小。當AlGaN勢壘層完全馳豫時，AlGaN勢壘層的相對介電常數會變?yōu)槎ㄖ?，不再受退火時間的影響。然而當樣品在800℃下退火0.5h后，由于接觸金屬原子的大量擴散使得樣品AlGaN勢壘層的自發(fā)極化減弱，相對介電常數相應的減小。另外適當的熱退火處理不僅可以減小器件的反向飽和漏電流，而且可以減小AlGaN勢壘層的相對介電常數，從而可以抑制逆壓電