AlGaN-GaN-AlGaN-GaN雙異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管中極化庫侖場散射機(jī)制研究.pdf

1、本論文將通過對常規(guī)AlGaN/GaN HFETs與AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件以及不同尺寸AlGaN/GaN/AlGaN/GaNDHFETs器件的2DEG電子遷移率、柵源通道電阻RSch和跨導(dǎo)gm等器件特性進(jìn)行對比，重點(diǎn)研究AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs中的PCF散射機(jī)制。具體包括以下內(nèi)容:
　　本論文制備了源漏間距LSD為100μm，柵長LG分別為80μm、60μm、40μm、2

2、0μm的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs和AlGaN/GaN HFETs與源漏間距LSD為20μm，柵長LG為16μm、12μm、8μm、4μm的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs的方形中央柵器件，對其特性進(jìn)行對比研究。
　　1、極化庫侖場散射對AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs載流子遷移率的影響研究
　　我們分別對源漏間距LSD為100μm，柵長LG為80μm、60μ

3、m、40μm、20μm的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs和AlGaN/GaN HFETs與源漏間距LSD為20μm，柵長LG為16μm、12μm、8μm、4μm的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs的方形中央柵器件進(jìn)行了電容-電壓(C-V)測試和輸出特性曲線測試。通過PCF散射理論，分別擬合計算各器件的載流子遷移率。
　　對于大尺寸的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs和AlGa

4、N/GaN HFETs器件，我們發(fā)現(xiàn)隨柵源偏壓VGS從負(fù)偏壓向0V趨近的過程中，受POP散射影響的載流子遷移率相對更靠近所有散射機(jī)制共同影響的載流子遷移率，所占比重遠(yuǎn)大于其他散射機(jī)制。隨著柵長LG的減小，只有PCF散射變化較為明顯。當(dāng)柵長LG較大時，POP散射影響較大，主導(dǎo)的載流子遷移率與所有散射機(jī)制共同影響的載流子遷移率基本保持一致。當(dāng)柵長LG較小時，PCF散射增強(qiáng)。
　　對比大尺寸的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DH

5、FETs與AlGaN/GaN HFETs器件，對于同一尺寸器件，隨柵源偏壓VGS的增大，AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件的載流子遷移率下降得更緩。而且隨著柵長LG的逐漸減小，AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件的載流子遷移率隨柵源偏壓VGS的增大逐漸呈現(xiàn)上升的趨勢。由于隨著柵長LG的變化，只有PCF散射變化較為明顯，且PCF散射對應(yīng)的載流子遷移率隨柵源偏壓VGS的增大而逐漸升高。因此由以上實(shí)驗

6、現(xiàn)象我們得出結(jié)論:AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件中的極化庫侖場散射更強(qiáng)。為了進(jìn)一步驗證這一結(jié)論，我們給出了不同尺寸器件的各種散射機(jī)制對應(yīng)載流子遷移率的擬合結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)，對于相同尺寸的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs與AlGaN/GaN HFETs器件，AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件中極化庫侖場散射對應(yīng)的載流子遷移率都更靠近所有散射機(jī)制共同影響的載流子遷移率，因此A

7、lGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件中的極化庫侖場散射更強(qiáng)。對于這一現(xiàn)象的原因，我們給出了如下解釋。由于自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的存在，AlGaN/GaN異質(zhì)界面處會形成三角形勢阱，但對于AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)來說，GaN側(cè)的勢壘較低，這就導(dǎo)致勢阱中的2DEG容易溢出勢阱而進(jìn)入GaN緩沖層。如果將AlGaN背勢壘層插入到在GaN側(cè)，在溝道另一側(cè)將會形成一個高的勢壘，從而阻擋了2DEG的向緩沖層的泄漏，提高了2DEG限

8、域性。這樣，2DEG會更加靠近異質(zhì)界面。由于在異質(zhì)界面處分布著極化電荷，這樣2DEG在垂直溝道方向（z方向）就會距離極化電荷更近，從而對2DEG電子作用力更強(qiáng)。對于極化庫侖場散射來說，附加散射勢V(x，y，z)中的z更小，導(dǎo)致PCF散射勢更大，PCF散射相對影響更強(qiáng)。因此，AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件中的極化庫侖場散射更強(qiáng)。
　　對比源漏間距LSD不同，柵長與源漏間距之比LG/LSD相同的AlGaN/G

9、aN/AlGaN/GaN DHFETs，小尺寸器件中PCF散射對應(yīng)的載流子遷移率都更低更靠近總載流子遷移率，因此小尺寸器件中的PCF散射更強(qiáng)。這表明，溝道相對較短時，PCF散射距離也就較短，因此散射作用將較強(qiáng)。
　　2、極化庫侖場散射對AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs柵源通道電阻特性的影響研究
　　我們分別對源漏間距LSD為100μm，柵長LG為80μm、60μm、40μm、20μm的AlGaN/GaN/

10、AlGaN/GaN DHFETs和AlGaN/GaN HFETs與源漏間距LSD為20μm，柵長LG為16μm、12μm、8μm、4μm的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs的方形中央柵器件進(jìn)行了肖特基二極管Ⅰ-Ⅴ曲線測試和柵源通道電阻RSch測試。根據(jù)測試結(jié)果，分別計算得到各器件的柵源通道電阻RSch。
　　對于大尺寸的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs和AlGaN/GaN HFETs器件，我們

11、發(fā)現(xiàn)對于LG=40μm、60μm、80μm的器件，柵源通道電阻RSch隨VGS增大逐漸增大。對于LG=20μm的器件，柵源通道電阻RSch隨VGS的增大均基本保持不變。
　　對比大尺寸的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs與AlGaN/GaN HFETs器件，我們發(fā)現(xiàn)AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件的柵源通道電阻RSch值大于AlGaN/GaN HFETs器件的RSch值，我們認(rèn)為這是由于相

12、對于AlGaN/GaN HFETs器件，在AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件中，2DEG更靠近異質(zhì)界面處的附加極化電荷，這樣2DEG在垂直溝道方向（z方向）就會距離極化電荷更近，即PCF散射勢V（x，y，z）中的z更小，導(dǎo)致PCF散射勢更大，PCF散射相對影響更強(qiáng)，導(dǎo)致其柵源通道電阻RSch值相對較大。而且，隨柵源偏壓VGS的增大，AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件的柵源通道電阻RSch的增長

13、率大于AlGaN/GaN HFETs器件的柵源通道電阻RSch的增長率，且隨著LG的增大，增長趨勢更加明顯。這是由于相對于AlGaN/GaN HFETs器件，在AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件中，PCF散射相對影響更強(qiáng)，導(dǎo)致柵源通道電阻RSch受到更強(qiáng)的PCF散射的影響，而PCF散射受VGS影響較大，導(dǎo)致其柵源通道電阻RSch的增長率隨VGS增長更大且增長趨勢隨著LG的增大更明顯。
　　對比源漏間距LSD不

14、同，柵長與源漏間距之比LG/LSD相同的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs，我們發(fā)現(xiàn)隨柵偏壓VGS的增大，小尺寸器件的柵源通道電阻RSch的增長率大于大尺寸器件的柵源通道電阻RSch的增長率，且增長趨勢更明顯。我們認(rèn)為這是由于在小尺寸器件中，PCF散射相對影響更強(qiáng)，導(dǎo)致其柵源通道電阻RSch受PCF散射影響相對較大，而極化庫侖場散射受柵源偏壓VGS影響較大，導(dǎo)致其柵源通道電阻RSch的增長率隨柵偏壓VGS增長更大，增長

15、趨勢更明顯。
　　3、極化庫侖場散射對AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs跨導(dǎo)特性的影響研究
　　我們分別對源漏間距LSD為100μm，柵長LG為80μm、60μm、40μm、20μm的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs和AlGaN/GaN HFETs與源漏間距LSD為20μm，柵長LG為16μm、12μm、8μm、4μm的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs的方形中央柵器件

16、進(jìn)行了轉(zhuǎn)移特性曲線測試。根據(jù)測試結(jié)果，分別計算得到各器件的跨導(dǎo)曲線。
　　對于大尺寸的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs和AlGaN/GaN HFETs器件，我們發(fā)現(xiàn)隨柵源偏壓VGS的增大，不同尺寸器件的跨導(dǎo)逐漸上升至峰值并未出現(xiàn)下降。
　　對比大尺寸的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs與AlGaN/GaN HFETs器件，我們發(fā)現(xiàn)AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件的

17、gm峰值小于AlGaN/GaN HFETs器件的gm峰值。我們認(rèn)為這是由于相對于AlGaN/GaN HFETs器件，在AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件中，2DEG更靠近附加極化電荷，即極化庫侖場散射勢V(x，y，z)中的z更小，導(dǎo)致PCF散射勢更大，PCF散射相對影響更強(qiáng)，導(dǎo)致其柵源通道電阻RSch值相對較大，可得gm值更小。
　　對比源漏間距LSD不同，柵長與源漏間距之比LG/LSD相同的AlGaN/Ga