AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)器件提升二維電子氣濃度的研究.pdf

1、氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體材料因其具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)良特性,使其非常適合于制作光電(藍(lán)光、綠光和紫外光等)、抗輻射、高頻及大功率的電子器件。GaN半導(dǎo)體材料具有的這些優(yōu)良特性,能夠很好地彌補前兩代半導(dǎo)體材料的固有缺點,從而成為目前微電子領(lǐng)域被廣泛關(guān)注的研究熱點之一。
　　 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET),是以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)而制造的GaN基器件。AlGaN/GaN HFET

2、器件除了擁有GaN材料自身的一些優(yōu)良特性外,由AlGaN勢壘層和GaN層形成的異質(zhì)結(jié)界面處因材料的晶格常數(shù)差異而產(chǎn)生出很強(qiáng)的極化效應(yīng),從而導(dǎo)致即使AlGaN勢壘層在未摻雜的情形下亦能形成高濃度的二維電子氣(2DEG)。重要的是,2DEG濃度受多個因素(Al組分x、勢壘層厚度h、應(yīng)變弛豫度r和柵偏壓Vg等)的影響,它的高低將會直接影響AlGaN/GaN HFET器件的電學(xué)特性。本文針對影響2DEG濃度的多個因素進(jìn)行探討,這對于該類器件的研

3、究和推廣具有著重大的意義。
　　 本文首先概括了AlGaN/GaN器件的研究現(xiàn)狀,提出了課題的研究意義和價值,并簡要介紹了工藝級仿真和器件物理特性模擬的軟件環(huán)境。其次,作者討論了GaN的基本材料特性(包括晶體結(jié)構(gòu)和光電特性)和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的工作原理;重點對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)器件模擬所用的物理模型(主要有極化效應(yīng)模型、遷移率模型和載流子產(chǎn)生復(fù)合模型SRH等)進(jìn)行選擇并進(jìn)行相關(guān)模型參數(shù)的修正;進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)設(shè)計,并確

4、定針對每個因素(主要考慮了AlGaN勢壘層中Al組分x和厚度h、應(yīng)變馳豫度r和柵偏壓Vg等)的模擬實驗方案和表面響應(yīng)模型(RSM)優(yōu)化分析(主要基于DoE方法和理論,建立合理的RSM,研究多個因素對器件特性的影響,通過優(yōu)化設(shè)計得到滿足設(shè)計要求的可制造性區(qū)域)。最后,對模擬結(jié)果進(jìn)行了簡要分析及討論,重點討論了每個因素對導(dǎo)帶、2DEG濃度分布和輸出特性的影響,針對器件的設(shè)計要求,選擇影響因素作為控制因素,以輸出漏電流Id、跨導(dǎo)gm等為優(yōu)化目

5、標(biāo),建立RSM,最終得到多因素影響的優(yōu)化曲面。
　　 需要強(qiáng)調(diào)的是,因仿真環(huán)境的模型庫中針對AlGaN/GaN HFET器件的模型并不完善,所以要進(jìn)行模型的選擇、建立及參數(shù)的修正。因為這項工作直接關(guān)系到器件模擬是否具有現(xiàn)實意義,所以是整篇論文研究的關(guān)鍵階段。
　　 研究表明:在勢壘層厚度h接近其臨界值(約30nm)時,隨著Al組分x的增大,2DEG的濃度增加明顯。同時,隨著Al組分x和勢壘層厚度h的繼續(xù)增大,又會提高Al

6、GaN勢壘層的應(yīng)變弛豫,而應(yīng)變弛豫現(xiàn)象的發(fā)生又會降低器件的電流傳輸特性。當(dāng)Al組分值(x=0.3)恒定時,隨應(yīng)變弛豫度r的增加2DEG濃度降低、夾斷電壓增大。當(dāng)應(yīng)變弛豫度值(r=0.1)恒定時,隨Al組分x的增大2DEG的濃度提高、夾斷電壓降低。
　　 目前,因?qū)lGaN/GaN HFET器件使用可制造性設(shè)計工具進(jìn)行物理特性模擬和RSM優(yōu)化分析的工作在國內(nèi)還較少,則該課題的研究水平位于國內(nèi)同類研究的前沿。該課題研究成果為國內(nèi)該