AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)材料與器件的特性參數(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFETs)由于其在高溫高頻大功率等方面的廣泛應(yīng)用前景而成為研究熱點(diǎn)。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料體系除具有GaN材料的寬帶隙、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)越性能外，還具有很大的帶階差，很強(qiáng)的極化效應(yīng)，即使不用任何摻雜，僅通過(guò)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(dá)～1013/cm2的二維電子氣(2DEG)密度。以此為基礎(chǔ)制備的AlGaN

2、/GaNHFETs是GaN基電子器件最重要的代表，其具有高跨導(dǎo)、高飽和電流、高截止頻率、高擊穿電壓等優(yōu)良特性。
　　 盡管目前AlGaN/GaNHFETs器件已經(jīng)發(fā)展到較高的性能水平，已經(jīng)處于開(kāi)始商用化的階段，但仍然受到諸多問(wèn)題的困擾，比如電流崩塌效應(yīng)、高溫下器件可靠性、小尺寸下AlGaN/GaN應(yīng)變以及材料所預(yù)言的器件性能水平與目前實(shí)際制備的器件水平還存在一定的差距，這些問(wèn)題大大制約了AlGaN/GaNHFETs器件的商業(yè)化進(jìn)

3、程。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料和器件的特征參數(shù)，比如2DEG遷移率、極化電荷密度、AlGaN/GaN應(yīng)變、異質(zhì)界面2DEG的分布和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基接觸(AlGaN/GaNHFETs的柵金屬電極與AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)形成肖特基接觸)勢(shì)壘高度等直接影響著器件的頻率和功率性能。因此，深入研究AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料和器件的特征參數(shù)對(duì)AlGaN/GaNHFETs的發(fā)展具有非常重要的意義。本論文主要研究了AlGaN/AlN

4、/GaNHFETs中2DEG電子遷移率的散射機(jī)制、從電流電壓(I-V)和電容電壓(C-V)曲線有效提取AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基接觸勢(shì)壘高度和AlGaN/GaN異質(zhì)界面的極化電荷密度以及熱退火對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基接觸特征參數(shù)的影響。具體包括以下內(nèi)容:
　　 1.AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電子遷移率散射機(jī)制的研究。
　　 (a)柵金屬面積對(duì)AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電

5、子遷移率的影響。利用歐姆定律，詳細(xì)推導(dǎo)了圓形和方形AlGaN/AlN/GaNHFETs中線性工作區(qū)的電流-電壓關(guān)系。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的圓形和方形AlGaN/AlN/GaNHFETs的C-V特性和I-V輸出特性曲線，利用推導(dǎo)出的電流-電壓關(guān)系，計(jì)算了在源漏電壓為100mV時(shí)，不同肖特基柵面積的圓形和方形AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電子遷移率隨外加?xùn)牌珘旱淖兓闆r。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于柵面積小(對(duì)應(yīng)柵長(zhǎng)小)的器件2DEG電子遷移率

6、隨柵偏壓的增大而增大，但對(duì)于柵面積大的器件(對(duì)應(yīng)柵長(zhǎng)大)2DEG電子遷移率隨柵偏壓的增大而減小;同一柵偏壓下，2DEG遷移率隨柵面積的增大而增大。對(duì)此我們結(jié)合極化梯度庫(kù)侖場(chǎng)散射、縱光學(xué)聲子散射和界面粗糙散射給出了詳細(xì)的解釋。另外我們對(duì)比研究了同樣器件尺寸的AlGaN/AlN/GaNHFETs和AlGaN/GaNHFETs中電子遷移率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)極化梯度庫(kù)侖場(chǎng)散射在AlGaN/GaNHFETs器件中起到的作用要比在AlGaN/AlN/

7、GaNHFETs器件中起到的作用強(qiáng)。這是由于AlGaN/AlN/GaN比AlGaN/GaN的有效帶階差大，使得2DEG遠(yuǎn)離異質(zhì)界面處的極化電荷所致。
　　 (b)不同源漏間距對(duì)AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電子遷移率的影響。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的不同源漏間距的方形AlGaN/AlN/GaNHFETs的C-V特性和I-V輸出特性曲線，利用推導(dǎo)出的電流-電壓關(guān)系，計(jì)算了在源漏電壓為100mV時(shí)，不同源漏間距、不同柵面積的

8、方形AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電子遷移率隨外加?xùn)牌珘旱淖兓闆r。發(fā)現(xiàn)柵長(zhǎng)與源漏間距的比值是決定器件中散射機(jī)制的主要原因，而非源漏間距。
　　 (c)不同柵金屬面積、不同源漏間距對(duì)AlGaN/AlN/GaNHFETs線性工作區(qū)(較大漏源偏壓下)2DEG電子遷移率的影響。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的不同源漏間距的方形AlGaN/AlN/GaNHFETs的C-V特性和I-V輸出特性曲線，利用推導(dǎo)出的電流-電壓關(guān)系，計(jì)算了不同

9、源漏間距、不同柵面積的方形AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG平均電子遷移率隨外加漏源偏壓和柵偏壓的變化情況。發(fā)現(xiàn)之前所提出的AlGaN/AlN/GaNHFETs中的散射機(jī)制可以很好地解釋源漏間距為100μm和60μm的器件中2DEG平均電子遷移率的變化規(guī)律，但卻無(wú)法解釋源漏間距小于20μm器件中的2DEG平均電子遷移率的變化規(guī)律，這種反?，F(xiàn)象源于漏源電場(chǎng)對(duì)器件溝道極化電荷分布的影響。
　　 2.從正向I-V曲線獲取A

10、lGaN/GaN(AlGaN/AlN/GaN)異質(zhì)結(jié)肖特基勢(shì)壘高度。
　　 本論文分別討論了兩種從正向I-V曲線獲取AlGaN/GaN(AlGaN/AlN/GaN)異質(zhì)結(jié)肖特基勢(shì)壘高度的方法。方法一是利用測(cè)試得到的I-V曲線和雙二極管模型，基于熱離子發(fā)射理論，通過(guò)薛定諤和泊松方程自洽求解迭代計(jì)算確定有效理查德常數(shù)并得到零偏壓下勢(shì)壘高度，又利用推導(dǎo)出的零偏壓下和零電場(chǎng)下勢(shì)壘高度之間的關(guān)系，最終得到AlGaN/GaN(AlGaN/A

11、lN/GaN)異質(zhì)結(jié)肖特基接觸零電場(chǎng)勢(shì)壘高度。方法二是通過(guò)公式推導(dǎo)和理論分析，從正向I-V曲線分析得到了AlGaN/GaN(AlGaN/AlN/GaN)異質(zhì)結(jié)的平帶電壓，而后利用平帶電壓和零電場(chǎng)勢(shì)壘高度的關(guān)系式，通過(guò)薛定諤和泊松方程自洽求解迭代計(jì)算得到肖特基接觸勢(shì)壘高度。
　　 3.從正向I-V曲線獲取AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)極化電荷密度。利用I-V曲線首先獲取AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的平帶電壓，繼而利用公式推導(dǎo)得到AlGaN/

12、GaN異質(zhì)結(jié)極化電荷密度和平帶電壓的簡(jiǎn)單關(guān)系式，從而得到了一種從正向I-V曲線獲取AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)極化電荷密度的簡(jiǎn)單方法。
　　 4.熱退火對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基接觸特征參數(shù)的影響。
　　 (a)熱退火處理對(duì)AlGaN勢(shì)壘層應(yīng)變的影響。對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的Ni肖特基接觸進(jìn)行不同溫度和不同時(shí)間的熱退火處理，利用測(cè)試得到的C-V和I-V曲線，通過(guò)自洽求解薛定諤方程和泊松方程計(jì)算得到了各個(gè)樣品的極

13、化電荷密度，從而發(fā)現(xiàn):600℃退火下，隨著退火時(shí)間的增加樣品的二維電子氣密度和極化電荷密度的變化可分為兩個(gè)階段:第一個(gè)階段，AlGaN中存在應(yīng)變(即壓電極化)且隨著退火時(shí)間的增加應(yīng)變逐漸減弱;第二個(gè)階段，AlGaN勢(shì)壘層已完全弛豫，僅存在自發(fā)極化且不隨退火時(shí)間而發(fā)生變化。另外退火0.5小時(shí)下，當(dāng)退火溫度小于700℃時(shí)，隨著退火溫度的增高，2DEG密度和極化電荷密度逐漸減小，退火僅影響了AlGaN勢(shì)壘層的應(yīng)變;而800C退火不僅影響了Al

14、GaN勢(shì)壘層的應(yīng)變，由于肖特基金屬原子的擴(kuò)散也影響了AlGaN勢(shì)壘層的自發(fā)極化。
　　 (b)熱退火處理對(duì)AlGaN勢(shì)壘層相對(duì)介電常數(shù)的影響。對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的Ni肖特基接觸進(jìn)行不同溫度和不同時(shí)間的熱退火處理，利用測(cè)試得到的C-V曲線計(jì)算得到了各個(gè)樣品中AlGaN勢(shì)壘層的相對(duì)介電常數(shù)。研究發(fā)現(xiàn):AlGaN勢(shì)壘層的相對(duì)介電常數(shù)與AlGaN勢(shì)壘層的壓電極化和自發(fā)極化相關(guān)。AlGaN勢(shì)壘層的相對(duì)介電常數(shù)正比于AlGaN勢(shì)

15、壘層的應(yīng)變。當(dāng)AlGaN勢(shì)壘層的應(yīng)變受到熱退火處理而減小時(shí)，AlGaN勢(shì)壘層的相對(duì)介電常數(shù)也隨之減小。當(dāng)AlGaN勢(shì)壘層完全馳豫時(shí)，AlGaN勢(shì)壘層的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)變?yōu)槎ㄖ?，不再受退火時(shí)間的影響。然而當(dāng)樣品在800℃下退火0.5h后，由于接觸金屬原子的大量擴(kuò)散使得樣品AlGaN勢(shì)壘層的自發(fā)極化減弱，相對(duì)介電常數(shù)相應(yīng)的減小。另外適當(dāng)?shù)臒嵬嘶鹛幚聿粌H可以減小器件的反向飽和漏電流，而且可以減小AlGaN勢(shì)壘層的相對(duì)介電常數(shù)，從而可以抑制逆壓電