AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管特性研究.pdf

1、無線通信網(wǎng)絡(luò)是21世紀信息技術(shù)最重要的基礎(chǔ)之一，下一代可移動寬帶無線通訊需要高頻、大功率的固態(tài)電子器件。GaN作為迅速發(fā)展起來的第三代寬禁帶半導體材料的代表之一，具有寬帶隙、高擊穿場強、高電子飽和漂移速度、高熱導率等優(yōu)越性能，且具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)，因此成為發(fā)展高溫、高頻、大功率微波電子器件的優(yōu)選材料。 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料體系是發(fā)展GaN基高溫、高頻、大功率微波電子器件最基本也是最重要的結(jié)構(gòu)材料，深受國際上的關(guān)注。A

2、lGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料體系具有很大的帶階差，很強的極化效應(yīng)，即使不用任何摻雜，僅通過極化應(yīng)力就可以在AlGaN/GaN異質(zhì)界面的量子阱中產(chǎn)生高達～1013/c㎡的二維電子氣（2DEG）密度。以此為基礎(chǔ)制備的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（AlGaN/GaN HFET）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。經(jīng)過近十多年的研究發(fā)展，AlGaN/GaN HFET的器件性能已經(jīng)取

3、得了長足進步，但由于在AlGaN/GaN HFET器件中仍然存在很多問題（諸如：器件工藝對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料和器件基本特性的影響，AlGaN/GaN HFET器件在高溫環(huán)境下工作的可靠性問題等等）尚未解決，大大制約了AlGaN/GaN HFET器件的商業(yè)化進程。因此，對AlGaN/GaN HFET的基本特性進行研究，對于AlGaN/GaNHFET的發(fā)展具有非常重要的意義。本論文正是以目前AlGaN/GaN HFET器件研究中

4、的熱點問題為背景和出發(fā)點進行的，主要研究了肖特基接觸金屬對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中AlGaN勢壘層應(yīng)變的影響，器件工藝（如：歐姆接觸電極和肖特基接觸電極的制備）對AlGaN/GaN HFET中2DEG電子遷移率的影響以及AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上肖特基接觸的熱穩(wěn)定性等問題，具體包括以下內(nèi)容： 1.AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中AlGaN勢壘層相對介電常數(shù)的計算。利用實驗測試得到的室溫下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上Ni肖特基接

5、觸的電容-電壓（C-V）特性曲線和光電流譜，考慮到與AlGaN勢壘層電容相串聯(lián)的2DEG溝道電容，通過自洽求解薛定諤方程和泊松方程，提出了一種新的計算AlGaN勢壘層相對介電常數(shù)的方法，發(fā)現(xiàn)AlGaN勢壘層的相對介電常數(shù)隨Ni肖特基柵反向偏壓的增大而變小，深入分析了Ni肖特基柵反向偏壓對AlGaN勢壘層相對介電常數(shù)造成這種影響的原因。 2.肖特基接觸金屬對AlGaN勢壘層應(yīng)變的影響。 （a）不同肖特基接觸金屬對AlGaN勢

6、壘層應(yīng)變的影響。在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上淀積了相同面積的Ir和Ni兩種肖特基金屬，利用它們的C-V特性曲線和電流-電壓（I-V）特性曲線，通過自洽求解薛定諤方程和泊松方程，計算了兩種肖特基金屬下面AlGaN勢壘層中的極化電荷密度，發(fā)現(xiàn)只有兩者的勢壘高度相差很大時其極化電荷密度才可能相等，但由I-V特性曲線可知它們的勢壘高度幾乎一致，由此得出結(jié)論：不同的肖特基接觸金屬對AlGaN勢壘層應(yīng)變的影響不同。 （b）不同Ni肖特基接觸

7、金屬面積對AlGaN勢壘層應(yīng)變的影響。在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上淀積了不同面積的環(huán)形Ni肖特基金屬，同樣利用C-V、I-V特性曲線以及薛定諤方程和泊松方程的自洽求解，計算了肖特基金屬下面AlGaN勢壘層中的極化電荷密度，發(fā)現(xiàn)隨著Ni肖特基金屬面積的增大，柵極下面AlGaN勢壘層的極化電荷密度減小，應(yīng)變減弱。 （c）不同Ni肖特基接觸金屬厚度對AlGaN勢壘層應(yīng)變的影響。在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上淀積了不同厚度的Ni肖特基金

8、屬，計算了不同Ni肖特基金屬厚度下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的2DEG密度，發(fā)現(xiàn)Ni/Au肖特基金屬厚度為600A/2000A時的2DEG密度大約是Ni/Au肖特基金屬厚度為50A/50A時的近兩倍，其原因歸為厚的Ni/Au肖特基接觸下面AlGaN勢壘層的應(yīng)變遠大于薄的Ni/Au肖特基接觸金屬，并且在淀積厚的Ni肖特基金屬過程中引入了更多的施主型表面缺陷態(tài)。 3.圓形AlGaN/GaN HFET中的2DEG電子遷移率 （

9、a）Ni肖特基金屬面積對AlGaN/GaN HFET中2DEG電子遷移率的影響。利用歐姆定律，詳細推導了圓形AlGaN/GaN HFET線性工作區(qū)的電流.電壓關(guān)系。結(jié)合實驗測試得到的圓形AlGaN/GaN HFET的C-V特性曲線和I-V輸出特性曲線，利用推導出的電流-電壓關(guān)系，計算了在源漏電壓為100mV時，不同肖特基柵面積的圓形AlGaN/GaN HFET的2DEG電子遷移率隨外加柵偏壓的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)柵面積較小時，2DEG電子

10、遷移率隨外加柵偏壓由負到正，2DEG密度逐漸增加，2DEG電子遷移率逐漸增大：而當柵偏壓一定時，隨柵面積的增大，2DEG密度逐漸減小，2DEG電子遷移率逐漸增大。此外我們還進一步計算了圓形AlGaN/GaN HFET線性工作區(qū)的2DEG電子的平均遷移率的變化情況。 （b）首次提出“應(yīng)變極化梯度庫侖場”載流子散射機制模型。當Ni肖特基金屬淀積到AlGaN勢壘層表面時，會改變AlGaN勢壘層的應(yīng)變，這樣在Ni肖特基柵金屬下面的極化電荷

11、密度與柵金屬以外的區(qū)域不同，使得沿2DEG溝道方向存在極化電荷密度梯度。由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)三角形勢阱中的電子能態(tài)計算是基于均勻的AlGaN勢壘層應(yīng)變極化，這樣AlGaN勢壘層中的應(yīng)變極化電荷密度梯度作為附加勢將產(chǎn)生對三角形勢阱中2DEG的彈性散射，我們將這一散射機制定義為“應(yīng)變極化梯度庫侖場”散射。Ni肖特基金屬面積越小，2DEG密度越大，沿溝道方向應(yīng)變極化電荷密度梯度也越大，從而導致“應(yīng)變極化梯度庫侖場”對2DEG電子遷移

12、率的散射作用越大。 （c）歐姆接觸金屬退火對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG電子遷移率的影響。通過計算沒有柵電極的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG電子遷移率，發(fā)現(xiàn)僅制備歐姆接觸電極并退火之后，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG密度與霍爾測試結(jié)果相比變化不大，而2DEG電子遷移率比起霍爾測試結(jié)果減小了50％還要多。指出在歐姆接觸金屬淀積和快速熱退火過程中在AlGaN勢壘層中引入了大量的缺陷，同時改變了AlGaN勢壘層中源、

13、漏附近的應(yīng)變，并在源、漏兩端分別建立起一個“應(yīng)變極化梯度庫侖場”，由于缺陷散射和“應(yīng)變極化梯度庫侖場”散射，從而導致了2DEG電子遷移率的大大下降。 4.應(yīng)力AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上Ni肖特基接觸的熱穩(wěn)定性。 （a）退火溫度對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的Ni肖特基接觸基本特性的影響。通過對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的Ni肖特基接觸在不同溫度下進行30分鐘的熱退火處理，利用測試得到的I-V特性曲線，發(fā)現(xiàn)經(jīng)退火處理后N

14、i肖特基接觸的反向飽和電流小于未退火樣品。尤其是在700℃下，30分鐘熱退火處理后，Ni肖特基接觸的反向飽和電流比起未退火時減小了近3個數(shù)量級。通過測試未退火樣品和700℃下，30分鐘熱退火處理后樣品的光電流譜，結(jié)合I-V、C-V特性曲線，發(fā)現(xiàn)經(jīng)高溫熱退火處理后肖特基勢壘高度變大，2DEG密度降低。利用相關(guān)參數(shù)自洽求解薛定諤方程和泊松方程，發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的升高，費米能級EF逐漸降低，AlGaN勢壘層相對介電常數(shù)減小，極化電荷密度逐漸減

15、小，AlGaN/GaN異質(zhì)界面處三角形勢阱逐漸變淺，變寬，對2DEG的束縛作用變小，從而導致2DEG分布逐漸向GaN-側(cè)展寬。并指出Ni金屬原子與AlGaN勢壘層原子相互作用，造成AlGaN勢壘層應(yīng)變能減小、極化電場變?nèi)跏窃斐蛇@種結(jié)果的原因。 （b）退火時間對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的Ni肖特基接觸基本特性的影響。通過對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的Ni肖特基接觸在600℃下進行不同時間的熱退火處理，發(fā)現(xiàn)Ni肖特基接觸的反向飽

16、和電流要比未退火時變小。而當退火時間較短時（～13小時），Ni肖特基接觸的反向飽和電流隨著退火時間的增加逐漸減小，這主要是因為最初Ni金屬原子與AlGaN勢壘層表面態(tài)電荷相互作用，導致2DEG密度降低引起的。而當退火時間超過～13小時后，Ni肖特基接觸的反向飽和電流隨著退火時間的增加逐漸變大（但仍小于未退火時），這主要歸因為Ni金屬原子擴散到AlGaN勢壘層內(nèi)部后，導致AlGaN勢壘層應(yīng)變部分弛豫，有效的應(yīng)變層變薄，而使得極化電場變?nèi)酰?/p>