極化庫侖場散射對AlGaN-GaN電子器件特性影響研究.pdf

1、AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)是第三代半導(dǎo)體中非常具有代表性的電子器件。GaN材料寬的禁帶寬度和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，使得AlGaN/GaN電子器件的臨界擊穿電場很高、抗輻射和抗腐蝕能力很強(qiáng);更為重要的是，由于GaN材料的自發(fā)極化與壓電屬性，在GaN上外延生長AlGaN勢壘層制備的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料，無需任何摻雜便可在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處產(chǎn)生量子限制作用極強(qiáng)的高濃度二維電子氣，且載流子遷移率非常高。高的載

2、流子濃度和遷移率以及高的擊穿電場使得AlGaN/GaN電子器件在微波功率器件和電力電子器件領(lǐng)域有著極為廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，AlGaN/GaN電子器件已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展，然而其依然面臨諸多挑戰(zhàn)。其中，器件高頻和功率性能的進(jìn)一步提升以及器件的可靠性都是目前面臨的重要問題。
　　極化是GaN基電子器件的重要特征，器件勢壘層應(yīng)變分布的不均勻會(huì)導(dǎo)致極化電荷分布的不均勻，進(jìn)而引起極化庫侖場散射，該散射是GaN基電子

3、器件所特有的載流子散射機(jī)制，而且已有研究表明該散射機(jī)制對GaN基電子器件載流子低場遷移率和可靠性有著重要影響。但是由于勢壘層厚度等原因，與該散射機(jī)制密切相關(guān)的勢壘層極化和應(yīng)變完整分布目前無法通過實(shí)驗(yàn)直接確定。此外，由于逆壓電效應(yīng)，不同的偏置狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致不同的應(yīng)變和極化電荷分布，從而引起不同的極化庫侖場散射勢，形成對柵源接觸區(qū)溝道載流子不同的散射作用，進(jìn)而導(dǎo)致不同的柵源接觸區(qū)電阻以及非本征跨導(dǎo)，但是目前極化庫侖場散射對GaN基電子器件該方面

4、電學(xué)性能參數(shù)影響的研究未有報(bào)道。另外，由于GaN緩沖層與襯底間存在晶格失配以及熱失配，GaN緩沖層不可避免地存在應(yīng)變，而這一應(yīng)變的不確定性也使得器件可靠性受到影響;而且GaN緩沖層中存在的陷阱態(tài)，使得GaN器件在施加偏壓工作時(shí)，存在流經(jīng)GaN緩沖層的漏電流，這對器件開關(guān)特性非常不利。本論文以上述問題為切入點(diǎn)，力圖通過相應(yīng)的研究分析，為AlGaN/GaN電子器件的進(jìn)一步發(fā)展帶來推動(dòng)與促進(jìn)作用，具體包括以下內(nèi)容:
　　1.AlGaN/

5、GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管中異質(zhì)結(jié)界面附加極化電荷分布確定及勢壘層應(yīng)變能分析
　　制備了柵長為微米和亞微米級別的不同尺寸AlGaN/GaN HFET器件，根據(jù)測試得到的電容電壓曲線以及電流電壓曲線，分別計(jì)算得到了各個(gè)尺寸器件的載流子低場遷移率。與已有研究中更大尺寸器件的載流子低場遷移率對比發(fā)現(xiàn)，隨著器件尺寸的等比例縮小，極化庫侖場散射在載流子輸運(yùn)中起到的作用越來越大;對于具有相同漏源間距的AlGaN/GaN HFET器件，隨著柵長的

6、減小，遷移率表現(xiàn)出了隨柵源偏壓變化更大的斜率，表明極化庫侖場散射更強(qiáng)。
　　根據(jù)極化庫侖場散射與AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面極化電荷分布間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用得到的不同柵源偏壓下低場遷移率數(shù)值以及極化庫侖場散射理論模型，提出了一種自洽迭代過程求解整個(gè)漏源之間區(qū)域AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面附加極化電荷分布的方法，并根據(jù)極化與應(yīng)變之間的關(guān)系，得到了整個(gè)漏源之間區(qū)域AlGaN勢壘層的應(yīng)變分布。并給出了極化/應(yīng)變、柵下勢壘層上下表面電勢差以

7、及器件尺寸三者間的關(guān)系表達(dá)式，而且采用其它尺寸器件的低場遷移率數(shù)值，驗(yàn)證了這一關(guān)系表達(dá)式。
　　根據(jù)得到的關(guān)系表達(dá)式，分析了AlGaN勢壘層應(yīng)變能的情況，發(fā)現(xiàn)在-2 V到0V柵源偏壓范圍內(nèi)，雖然柵源偏壓使得柵下AlGaN勢壘層張應(yīng)變和應(yīng)變能減小，但是柵下AlGaN勢壘層晶格的收縮同時(shí)會(huì)拉動(dòng)其相鄰區(qū)域晶格的伸張，使得相鄰區(qū)域勢壘層的張應(yīng)變增大，應(yīng)變能增大。而對于整個(gè)AlGaN勢壘層來說，總的應(yīng)變能保持相對恒定。
　　2.極化庫

8、侖場散射對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管柵源接觸區(qū)電阻和非本征跨導(dǎo)的影響
　　制備了漏源間距20μm，柵長分別為12μm、4μm和4μm，柵源間距分別為4μm、4μm和8μm的三組AlGaN/GaN HFET器件，在不同的正向柵源電流IGS下，采用傳統(tǒng)的柵探針測試方法對這三組器件的柵源接觸區(qū)電阻Rs進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)三組器件的Rs值均隨著尼S的增大而減小。分析表明，其原因在于，隨著正向IGS的增大，柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界

9、面處正的附加極化電荷增大，更大程度地抵消漏源歐姆電極附近AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處負(fù)的附加極化電荷，導(dǎo)致極化庫侖場散射強(qiáng)度降低，Rs減小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，更長的柵長和更短的柵源間距對應(yīng)更顯著的柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面附加極化電荷的影響，使得極化庫侖場散射對Rs的影響程度更大。另外，不同尺寸器件所表現(xiàn)出來的非本征跨導(dǎo)gm曲線也從另一個(gè)角度證明了AlGaN/GaN電子器件中，極化庫侖場散射對器件的Rs和跨導(dǎo)性能的影響。
　　然后

10、，選取熱載流子和熱聲子效應(yīng)更為顯著的、具備主流微波功率器件尺寸(2μm漏源間距和100nm柵長）的AlGaN/GaN電子器件進(jìn)行研究，基于傳統(tǒng)的柵探針測試Rs的方法，提出了一種新型的測試計(jì)算方法來得到對應(yīng)于器件電流電壓輸出特性曲線飽和區(qū)各個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)的Rs值，采用此方法測試得到的Rs值能夠與各個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷的分布相對應(yīng)。測試得到的各靜態(tài)工作點(diǎn)下的Rs值隨漏源電流IDS的增大而非線性增加。

11、　　根據(jù)測試得到的柵源接觸區(qū)電阻Rs值，得到了各靜態(tài)工作點(diǎn)下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的附加極化電荷分布。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的附加極化電荷產(chǎn)生的附加散射勢對柵源接觸區(qū)溝道載流子的輸運(yùn)產(chǎn)生影響，從而影響Rs。結(jié)合極化庫侖場散射理論模型，具體給出了極化庫侖場散射對Rs的作用機(jī)理表達(dá)式。
　　利用極化庫侖場散射對柵源接觸區(qū)電阻Rs的作用機(jī)理表達(dá)式以及測試得到的各靜態(tài)工作點(diǎn)下的Rs值，結(jié)合極性光學(xué)聲子散射、壓電散射和界面粗

12、糙散射等其它幾種主要的散射機(jī)制對Rs的作用，具體計(jì)算得到了各散射機(jī)制對Rs的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，壓電散射與界面粗糙散射對Rs的貢獻(xiàn)不大，且基本不隨漏源電流IDS的增大而變化，對Rs起主要影響作用的是極性光學(xué)聲子散射和極化庫侖場散射。極性光學(xué)聲子散射對應(yīng)的Rs組分隨IDS的增大而急劇增大，這是因?yàn)殡S著IDS的升高，電子溫度升高，電子與極性光學(xué)聲子間強(qiáng)烈的相互作用使得極性光學(xué)聲子溫度隨著電子溫度同步升高，因而極性光學(xué)聲子散射強(qiáng)度快速增大，對載流

13、子在柵源接觸區(qū)溝道的輸運(yùn)過程產(chǎn)生更強(qiáng)的散射作用。極化庫侖場散射對應(yīng)的Rs組分隨著IDS的增大而減小，這是由于隨著漏源電流的增大，柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷絕對值減小，導(dǎo)致極化庫侖場散射勢減小，極化庫侖場散射對柵源接觸區(qū)溝道載流子散射作用減弱。此外，相比于壓電散射與界面粗糙散射，極化庫侖場散射在整個(gè)Rs組成中占據(jù)的比重更大，最大占據(jù)比重超過了50％，說明極化庫侖場散射對Rs的變化起到非常大的影響作用。
　　相比較

14、于變化其它器件尺寸參數(shù)（比如漏源間距或者柵源間距），變化柵寬可以有效地統(tǒng)一其它影響因素的作用，從而將極化庫侖場散射的作用獨(dú)立出來，提供一個(gè)更為明確的視角。為此制備了漏源間距為2μm、柵居中且柵長為100nm，柵寬分別為20μm、40μm和75μm的三組AlGaN/GaN HFET器件。測試結(jié)果表明，隨著柵寬的增大，非本征跨導(dǎo)的峰值減小，其原因在于更寬的柵寬對應(yīng)更大的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷作用強(qiáng)度，從而對應(yīng)更強(qiáng)的極化庫

15、侖場散射勢，因此柵源間溝道載流子受到的極化庫侖場散射更強(qiáng)，Rs值更大，從而導(dǎo)致非本征跨導(dǎo)值更小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著柵寬的增大，非本征跨導(dǎo)隨柵源偏壓的下降斜率變得更緩，這是由于隨著柵源偏壓的增大，柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷絕對值減小，極化庫侖場散射強(qiáng)度降低，導(dǎo)致極化庫侖場散射對應(yīng)的Rs組分減小，從而抵消或部分抵消了極性光學(xué)聲子散射對應(yīng)的Rs組分的增大，使得總體Rs變化更為平緩，進(jìn)而可以使得非本征跨導(dǎo)曲線變化更為平緩。更寬的

16、柵寬對應(yīng)更強(qiáng)的極化庫侖場散射，對極性光學(xué)聲子散射的抵消作用更為顯著，因此更寬柵寬的AlGaN/GaN電子器件非本征跨導(dǎo)曲線下降斜率更緩。
　　基于前面的分析，從極化庫侖場散射的角度提出了優(yōu)化AlGaN/GaN電子器件性能的途徑:增強(qiáng)極化庫侖場散射的影響，可以使得極化庫侖場散射對應(yīng)的Rs組分隨漏源電流IDS的減小速度與極性光學(xué)聲子散射對應(yīng)的Rs組分的增大速度相當(dāng)，從而使得整體的Rs和非本征跨導(dǎo)隨IDS變化趨于平緩，由此提升器件的線性

17、放大性能。具體來講，從材料結(jié)構(gòu)角度，減小AlGaN勢壘層厚度可以使得在同樣的柵源偏壓條件下，勢壘層垂直方向具有更強(qiáng)的電場，增大Al組分同樣可以使得相關(guān)彈性系數(shù)和壓電系數(shù)改變，從而使得柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷增多，極化庫侖場散射增強(qiáng);器件結(jié)構(gòu)角度，更長的柵長和更寬的柵寬對應(yīng)更大的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷的作用，更短的柵源間距對應(yīng)更短的柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷與柵源接觸區(qū)溝道載流

18、子之間的距離，因此可以增強(qiáng)極化庫侖場散射強(qiáng)度。但同時(shí)也需要注意到，增強(qiáng)極化庫侖場散射會(huì)使得總的散射強(qiáng)度增大，導(dǎo)致整體的Rs值增大，從而使得非本征跨導(dǎo)的峰值降低。因此，在更平緩的非本征跨導(dǎo)曲線與更大的非本征跨導(dǎo)峰值之間存在權(quán)衡，可以根據(jù)不同的器件應(yīng)用需要，進(jìn)行相應(yīng)的器件設(shè)計(jì)。
　　3.襯底厚度及襯底偏壓對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管性能的影響
　　對于在原始厚度為420μm的藍(lán)寶石襯底上制備的漏源間距5μm、柵長1μm

19、、柵源間距1μm的AlGaN/GaN HFET器件，采用襯底減薄的方式，在不同的襯底厚度下測試器件的相關(guān)特性并進(jìn)行分析，從而探究藍(lán)寶石襯底厚度對AlGaN/GaN電子器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)襯底厚度大于170μm時(shí)，器件電學(xué)特性基本不發(fā)生變化，而當(dāng)襯底厚度小于170μm時(shí)，器件電學(xué)特性發(fā)生較為明顯的變化:器件漏源電流減小、二維電子氣面密度降低以及閾值電壓升高。拉曼光譜與光致發(fā)光譜反映了GaN緩沖層的應(yīng)變信息:襯底減薄后，GaN緩沖層

20、的壓應(yīng)變增強(qiáng)。采用自洽求解薛定諤方程和泊松方程的方法計(jì)算了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的極化電荷面密度，結(jié)果同樣表明，當(dāng)襯底厚度大于170μm時(shí)，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處極化電荷面密度基本保持恒定，而當(dāng)襯底厚度低于170μm時(shí)，極化電荷面密度降低。采用原子力顯微鏡測試了襯底減薄前后，柵漏電極之間區(qū)域2×2μm2區(qū)域范圍的AlGaN勢壘層的表面形貌，發(fā)現(xiàn)襯底減薄后，AlGaN勢壘層的表面粗糙度增大，間接地反映了AlGaN/GaN異

21、質(zhì)結(jié)界面處位錯(cuò)密度的增大以及位錯(cuò)散射的增強(qiáng)和相應(yīng)載流子遷移率的降低。而70μm襯底厚度下的載流子遷移率比120μm襯底厚度下的載流子遷移率高，表明極化庫侖場散射的減弱，這與極化電荷面密度的變化相一致。
　　除了GaN緩沖層的應(yīng)變，GaN緩沖層的陷阱態(tài)同樣會(huì)對器件的性能產(chǎn)生影響，基于此，提出了一種采用施加襯底偏壓提高器件開關(guān)特性的方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正向襯底偏壓可以有效地降低器件關(guān)態(tài)漏電流，同時(shí)保持開態(tài)漏源電流恒定，從而提高AlGaN/

22、GaN電子器件的開關(guān)比和亞閾值特性。分析表明，正向襯底偏壓下，器件開關(guān)特性得以提高的原因在于，正向襯底偏壓產(chǎn)生的垂直方向的電場傾向于使GaN緩沖層受主型陷阱態(tài)電離和（或）施主型陷阱態(tài)去電離，從而耗盡GaN緩沖層的電子，使得GaN緩沖層電導(dǎo)率降低，漏電流減小。此外正向襯底偏壓會(huì)驅(qū)動(dòng)GaN緩沖層的電子漂移到GaN緩沖層的底部甚至AlN成核層，而空穴到頂部，使得GaN緩沖層電導(dǎo)率進(jìn)一步降低。襯底減薄后，同樣大小的正向襯底偏壓使得器件的開關(guān)特性