極化庫侖場(chǎng)散射對(duì)凹柵槽AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件特性影響研究.pdf

1、本論文分別以有無柵槽、柵長(zhǎng)和源漏間距為唯一變量制備AlGaN/GaN HFETs，對(duì)比探究PCF散射對(duì)凹槽柵耗盡型AlGaN/GaNHFETs器件2DEG電子遷移率(μn)、柵源通道電阻(RSch)、非本征跨導(dǎo)(gm)的影響。論文還制備了不同尺寸的凹柵槽增強(qiáng)型AlGaN/GaN HFETs，通過對(duì)比分析了PCF散射作用下的2DEG電子遷移率(μn)、柵源通道電阻（RSch）的作用。論文具體包括以下內(nèi)容:
　　首先通過對(duì)工藝的探索，

2、制備凹槽柵AlGaN/GaN HFETs器件。凹槽柵器件柵槽的制備采用低功率感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)技術(shù)，刻蝕之后在150℃低溫條件下，利用原子層淀積(ALD)工藝淀積Al2O3介質(zhì)層，并進(jìn)行快速熱退火處理提高介質(zhì)層和柵槽接觸質(zhì)量。
　　1.極化庫侖場(chǎng)散射對(duì)凹槽柵耗盡型AlGaN/GaN HFETs器件2DEG電子遷移率的影響
　　利用PCF散射理論模型擬合得到常規(guī)AlGaN/GaN HFETs器件和凹柵槽(柵槽深度為

3、9nm)耗盡型AlGaN/GaN HFETs器件柵下總2DEG電子遷移率和各個(gè)散射機(jī)制對(duì)應(yīng)的遷移率。通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于常規(guī)AlGaN/GaN HFETs，當(dāng)柵長(zhǎng)(LG)與源漏間距(LSD)比值小于0.5，PCF散射對(duì)2DEG電子遷移率的影響在各種散射機(jī)制中占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著柵偏壓(VGS)由負(fù)向零增加，柵下AlGaN勢(shì)壘層受到壓應(yīng)變逐漸減小，柵源、柵漏區(qū)域不斷減少的正附加極化電荷σ2對(duì)于柵下2DEG作用減弱，PCF散射減弱，2DEG

4、電子遷移率隨著VGS由負(fù)向零增大而增大。且由于隨著VGS增大，PCF散射作用減弱，導(dǎo)致柵下2DEG遷移率增長(zhǎng)速度逐漸降低。對(duì)于LG/LSD大于0.5的AlGaN/GaNHFETs，柵源、柵漏區(qū)域正附加極化電荷σ2對(duì)柵下載流子的散射作用較弱，PCF散射在各種散射機(jī)制中不占有主導(dǎo)地位，柵下載流子遷移率趨勢(shì)由POP散射主導(dǎo)，隨著VGS增大呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。
　　對(duì)于凹柵槽耗盡型AlGaN/GaN HFETs，ICP刻蝕和介質(zhì)層的淀積在柵下

5、區(qū)域勢(shì)壘層界面引入了正極化電荷和正界面電荷，對(duì)于PCF散射，這相當(dāng)于在柵源、柵漏區(qū)域產(chǎn)生了負(fù)附加電荷σ2。VGS為負(fù)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，柵下正極化電荷減少，柵下總的正電荷量（正極化電荷加正界面電荷）與柵源和柵漏AlGaN/GaN異質(zhì)界面正極化電荷量差值變小，PCF散射相對(duì)于零柵偏壓時(shí)減弱。即隨著VGS由負(fù)到零增加，柵源、柵漏區(qū)域負(fù)附加電荷增多，PCF散射增強(qiáng)，其對(duì)應(yīng)的2DEG電子遷移率減小。且隨著VGS由負(fù)向零靠近，柵下總的2DEG受到

6、PCF散射的作用增強(qiáng)。不同尺寸的凹槽柵耗盡型AlGaN/GaN HFETs，柵長(zhǎng)越大，PCF散射越弱，其對(duì)應(yīng)的柵下2DEG遷移率越大。
　　對(duì)比常規(guī)AlGaN/GaN HFETs器件和凹槽柵AlGaN/GaN HFETs器件。LG/LSD小于0.5且VGS為絕對(duì)值較大負(fù)柵偏壓時(shí)，常規(guī)AlGaN/GaN HFETs器件中PCF散射作用強(qiáng)，導(dǎo)致常規(guī)器件柵下載流子遷移率較低，隨著VGS由負(fù)向零增加PCF散射減弱，2DEG電子遷移率增大。

7、而對(duì)于凹槽柵結(jié)構(gòu)耗盡型AlGaN/GaN HFETs，VGS為絕對(duì)值較大負(fù)偏壓時(shí)，其PCF散射較弱，導(dǎo)致凹柵槽耗盡型器件柵下2DEG遷移率較高，隨著VGS由負(fù)向零增加PCF散射增強(qiáng)，在其作用下，2DEG電子遷移率減小。當(dāng)LG/LSD比值大于0.5時(shí)，PCF散射在兩個(gè)器件中的作用均較弱，柵下載流子遷移率變化趨勢(shì)由POP散射主導(dǎo)，由于凹槽柵結(jié)構(gòu)耗盡型器件中2DEG面密度較高，POP散射較強(qiáng)，其載流子遷移率低于常規(guī)器件。
　　2.極化庫

8、侖場(chǎng)散射對(duì)凹槽柵耗盡型AlGaN/GaN HFETs器件柵源通道電阻（RSch）和非本征跨導(dǎo)(gm)的影響
　　(1)極化庫侖場(chǎng)散射對(duì)凹槽柵耗盡型AlGaN/GaN HFETs器件柵源通道電阻（RSch）的影響
　　制備常規(guī)AlGaN/GaN HFETs和凹槽柵（柵槽深度為9nm）耗盡型AlGaN/GaN HFETs進(jìn)行對(duì)比探究。柵源通道電阻（RSch）采用柵探針法和理論模型擬合得到。對(duì)于常規(guī)AlGaN/GaN HFETs，

9、柵偏壓VGS為正時(shí)，柵下勢(shì)壘層受到張應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)，柵下呈現(xiàn)正的附加極化電荷σ3。隨著VGS由零正向增大，柵下正的附加極化電荷σ3增多，對(duì)歐姆接觸區(qū)域附近由于金屬擴(kuò)散導(dǎo)致的不隨VGS變化的負(fù)附加極化電荷σ1抵消作用增強(qiáng)，PCF散射對(duì)柵源、柵漏區(qū)域溝道中的載流子散射作用減弱，柵源通道電阻（RSch）隨著VGS從4.5V到5V增加而減小。
　　對(duì)于凹柵槽耗盡型AlGaN/GaNHFETs，ICP刻蝕和介質(zhì)層的淀積在柵下區(qū)域勢(shì)壘層界面引入了正

10、極化電荷和正界面電荷，使得在未加?xùn)艠O電壓時(shí)，柵下產(chǎn)生正附加電荷σ3。而隨著VGS增大，柵下勢(shì)壘層張應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)，柵下正附加電荷在原有的基礎(chǔ)上不斷增加，柵下附加正電荷σ3的作用完全抵消歐姆接觸區(qū)域負(fù)附加極化電荷σ1之后成為PCF散射主要來源。隨著VGS在4.5～5V范圍內(nèi)增加PCF散射增強(qiáng)，柵源通道電阻（RSch)隨著VGS的增大而增大。
　　凹槽柵耗盡型AlGaN/GaNHFETs器件中柵源通道電阻（RSch）受到的PCF散射作用大于

11、常規(guī)器件。對(duì)于不同柵長(zhǎng)的AlGaN/GaN HFETs，柵長(zhǎng)越大，PCF散射對(duì)柵源通道電阻RSch的影響越明顯，因而柵長(zhǎng)越大的常規(guī)器件和凹槽柵耗盡型器件RSch數(shù)值差別越大。
　　(2)極化庫侖場(chǎng)散射對(duì)凹槽柵耗盡型AlGaN/GaNHFETs器件非本征跨導(dǎo)(gm)的影響
　　由于器件尺寸較小，器件飽和機(jī)理為飽和漂移速度機(jī)理，非本征跨導(dǎo)gm的變化來源于柵源通道電阻RSch的變化。我們分別用RSch(PCF)和RSch(POP)

12、表示PCF散射對(duì)應(yīng)的RSch組分和POP散射對(duì)應(yīng)的RSch組分。分析PCF散射對(duì)柵源通道電阻RSch的影響時(shí)，以柵源、柵漏作為基準(zhǔn)，遷移率分析中我們通過PCF散射理論模型擬合得到零柵壓下凹柵槽耗盡型器件柵下區(qū)域存在正界面電荷和正極化電荷，這也就是柵下區(qū)域存在正附加電荷。對(duì)于凹柵槽耗盡型AlGaN/GaN HFETs，隨著VGS從-3V到1V增大，柵下正附加極化電荷不斷增多，增多的附加正極化電荷對(duì)歐姆接觸區(qū)域由于金屬橫向擴(kuò)散產(chǎn)生的固定負(fù)附

13、加極化電荷產(chǎn)生抵消作用，導(dǎo)致PCF散射對(duì)柵源、柵漏區(qū)域溝道中的載流子散射作用減弱，進(jìn)而使得柵源通道電阻RSch隨著VGS的增大而減小。而POP散射則與之相反，當(dāng)電流增大到一定程度后，溝道中的載流子速度增大，電子能量增強(qiáng)，其與極化光學(xué)聲子散射的作用不斷增強(qiáng)，這使得電子溫度的上升，POP散射增強(qiáng)，導(dǎo)致柵源通道電阻RSch隨著VGS的增大而增大。對(duì)比柵長(zhǎng)（LG）和柵源間距（LSD）比值不同的器件，發(fā)現(xiàn)柵長(zhǎng)越大的器件，其PCF散射作用強(qiáng)，PCF

14、散射對(duì)柵源通道電阻RSch影響越大。隨著VGS增大，PCF散射決定的RSch(PCF)減小，RSch(PCF)的減小會(huì)抵消隨著柵偏壓增大的RSch(POP)。LG/LSD越大的器件，抵消作用越強(qiáng)，柵源通道電阻RSch隨著LG/LSD比值的增大變化越小，器件跨導(dǎo)也就越平緩。
　　3.極化庫侖場(chǎng)散射對(duì)凹柵槽增強(qiáng)型AlGaN/GaN HFETs器件特性影響研究
　　(1)極化庫侖場(chǎng)散射對(duì)凹柵槽增強(qiáng)型AlGaN/GaN HFETs器

15、件2DEG遷移率的影響
　　通過PCF散射理論模型擬合得到不同尺寸凹柵槽增強(qiáng)型AlGaN/GaN HFETs器件勢(shì)壘層附加極化電荷和載流子遷移率。分析得到ICP刻蝕和介質(zhì)層的淀積在柵下區(qū)域勢(shì)壘層界面引入大量負(fù)界面電荷，對(duì)于PCF散射，這相當(dāng)于柵源、柵漏區(qū)域產(chǎn)生大量正的附加電荷σ2。而隨著VGS正向增大，由于逆壓電效應(yīng)，柵下勢(shì)壘層界面總負(fù)電荷（勢(shì)壘層界面正極化電荷加負(fù)界面電荷）減少，PCF散射減弱，隨著VGS增加?xùn)畔?DEG遷移率增

16、大。所研究的器件柵源(LGS)、柵漏間距(LGD)相等，柵長(zhǎng)越大，柵源、柵漏區(qū)域附加正電荷σ2對(duì)柵下載流子散射作用越弱，隨著VGS增大其載流子遷移率變化幅度越小。VGS相同時(shí)，柵長(zhǎng)越長(zhǎng)其PCF散射作用越弱，載流子遷移率越大。
　　(2)極化庫侖場(chǎng)散射對(duì)凹柵槽增強(qiáng)型AlGaN/GaN HFETs柵源通道電阻（RSch)的影響
　　本章選取不同尺寸的凹柵槽增強(qiáng)型AlGaN/GaN HFETs，對(duì)比探究其柵源通道電阻（RSch）。

17、AlGaN/GaN HFETs柵源通道電阻(RSch)利用柵探針法和PCF散射理論模型擬合得到，ICP刻蝕和介質(zhì)層的淀積在柵下區(qū)域勢(shì)壘層界面引入大量負(fù)界面電荷。因而未加?xùn)烹妷簳r(shí)，柵下就存在大量的負(fù)附加電荷σ3。隨著VGS正向增大，柵下勢(shì)壘層張應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)，柵下負(fù)附加電荷σ3減少，對(duì)于柵源、柵漏區(qū)域中的2DEG電子散射作用減弱，因此柵源通道電阻RSch隨著VGS的增大而減小。柵源、柵漏間距相同，柵長(zhǎng)越短，柵下附加電荷對(duì)柵源通道電阻RSch作用