GaN基电子器件中极化库仑场散射机制研究

【摘要】GaN材料由于其禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场强、化学性质稳定等优越性能,使得GaN基异质结场效应晶体管(HFETs)非常适合应用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件,在无线通信基站、卫星、雷达、汽车电子、航空航天、核工业、军用电子等国民经济和国防建设领域中有着广泛的应用。GaN基异质结场效应晶体管器件主要包括：AlGaN/GaNHFETs、InAlN/GaNHFETs和AIN/GaNHFETs,虽然GaN基HFETs器件已经发展到较高的性能水平,但是仍然受到电流崩塌、器件可靠性等诸多问题的约束,这些器件的高频和大功率性能仍有进一步改善和提升的空间。GaN基HFETs材料与器件的特性参数,例如2DEG电子密度和电子迁移率、势垒层极化电荷密度、肖特基接触势垒高度、亚阈值摆幅、器件开关电流比等都会直接影响器件的频率和功率特性。因此,系统地研究GaN基HFETs器件的特性参数,对改善器件的功率和频率性能有着重要的意义。2007年J.Z.Zhaoetal以及2011年Y.J.Lvetal研究表明AlGaN/GaN和AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中影响2DEG电子迁移率的散射机制主要为：极化库仑场散射、极化光学声子散射以及界面粗糙散射。但是极化库仑场散射的存在只从实验上得到了证实,理论模型尚未建立,因此研究低电场下极化库仑场散射理论模型至关重要。此外,将极化库仑场散射同器件的特性参数(亚阂值摆幅、器件开关电流比等)结合起来研究,对提升器件的特性也非常重要。本文系统研究了AlGaN/GaNHFETs和InAlN/GaNHFETs中极化库仑场散射机制,建立了极化库仑场散射机制的理论模型,还对这些GaN基电子器件参数与极化库仑场散射的关联关系开展了研究,具体包括以下内容：1、AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中极化库仑场散射理论模型及其应用研究(a)边欧姆接触工艺对AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中极化库仑场散射的影响。结合实验测试得到的由边欧姆接触工艺和正常欧姆接触工艺制作的圆形和方形AlGaN/AlN/GaNHFETs器件的C-V曲线和I-V输出特性曲线,利用迁移率计算公式,得到了在源漏电压为O.1V时圆形和方形AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中2DEG电子迁移率随栅偏压的变化曲线。研究发现在由边欧姆接触工艺制作的器件中,几乎所有的圆形和方形器件的2DEG电子迁移率都随着栅偏压的升高而下降；但在由正常欧姆接触工艺制作的器件中,栅面积较小器件的2DEG电子迁移率随栅偏压的升高而上升；对此我们对AlGaN/AlN/GaNHFETs器件做了电子能谱测试,并结合极化库仑场散射、极化光学声子散射和界面粗糙散射给出了详细的解释并得到如下结论：由极化电荷密度分布不均匀引起的极化库仑场散射同正常欧姆接触工艺和栅偏压息息相关,而边欧姆接触工艺大大减弱了AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中的极化库仑场散射。(b)AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中的极化库仑场散射理论模型研究。根据AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中极化库仑场散射起源的研究可以得到器件源漏欧姆接触间AlGaN/AIN界面极化电荷的分布,进一步可以计算得到该散射机制的微扰势,从而推导得到该散射机制的理论公式；对于制作的AlGaN/AlN/GaNHFETs器件,结合极化光学声子散射、界面粗糙散射以及压电散射,可以从理论上计算得到器件的2DEG电子迁移率,而且理论计算值同实验上得到的2DEG电子迁移率数值非常吻合。这就从理论上证实了AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中极化库仑场散射的存在,也证明了极化库仑场散射在AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中是一种重要的散射机制。(c)AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中极化库仑场散射对器件亚阈值摆幅的影响。基于实验测试得到的耗尽型AlGaN/AlN/GaNHFETs器件的C-V曲线、I-Ⅴ输出特性曲线以及亚阈值特性曲线(IDS-VGS),可得到极化库仑场散射同亚阈值摆幅之间的关系。研究发现在极化库仑场散射作用较强的器件中,亚阈值摆幅值S同极化库仑场散射较弱的器件的S相比减小了26%。说明在耗尽型AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中,极化库仑场散射会大大改善器件的亚阈值特性。2、InAlN/AlN/GaN异质结场效应晶体管中极化库仑场散射机制研究(a)栅金属面积对In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs器件中2DEG电子迁移率的影响研究。基于实验测试得到的方形和圆形In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs器件的C-V曲线和I-V输出特性曲线,利用推导得到的迁移率计算公式,得到了源漏电压0.1V时不同肖特基栅面积方形和圆形In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs器件中2DEG电子迁移率随栅偏压的变化曲线。研究发现栅面积较小器件的2DEG电子迁移率随栅偏压的升高而上升；但栅面积较大器件的2DEG电子迁移率随栅偏压的升高而下降；同一栅偏压下,2DEG电子迁移率随栅面积的增大而上升。对此我们对In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs器件做了电子能谱测试,结合极化库仑场散射、极化光学声子散射和界面粗糙散射给出了详细的解释并得到了如下结论：由欧姆接触工艺和栅偏压引起的In0.18Al0.82N/AlN界面极化电荷分布不均匀导致的极化库仑场散射在In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs器件中是一种重要的散射机制。(b)边欧姆接触工艺对In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件中极化库仑场散射影响的研究。结合实验测试得到的由边欧姆接触工艺和正常欧姆接触工艺制作的方形和圆形In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件的C-V曲线和Ⅰ-Ⅴ输出特性曲线,利用推导得到的迁移率计算公式,可以得到源漏电压为0.1V时方形和圆形In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件2DEG电子迁移率随栅偏压的变化曲线。研究发现在同一栅偏压下,通过边欧姆接触工艺制作的器件2DEG电子密度随着栅金属面积的增大而升高；而通过正常欧姆接触工艺制作的器件2DEG电子密度变化不大而且无规律。边欧姆接触工艺制作的方形和圆形器件的2DEG电子迁移率随栅偏压的变化趋势都比正常欧姆接触工艺制作的器件2DEG迁移率随栅偏压的变化趋势缓慢；对此,我们对In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件做了电子能谱测试,并结合极化库仑场散射、极化光学声子散射和界面粗糙散射做出了详细的解释并得到如下结论：由极化电荷密度梯度引起的极化库仑场散射同正常欧姆接触工艺和栅偏压息息相关,而边欧姆接触工艺大大减弱了In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件中的极化库仑场散射；另外,栅偏压对In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件中极化库仑场散射的影响要远强于其对AlGaN/AlN/GaNHFETs器件中极化库仑场散射的影响,边欧姆接触工艺使得In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs器件中的2DEG电子密度比正常欧姆接触工艺制作器件的2DEG电子密度大2倍。(c)从正向Ⅰ-Ⅴ曲线获取In0.18Al0.82N/AlN/GaN异质结肖特基二极管势垒高度。基于双二极管模型以及热离子发射理论,通过理论分析和公式推导,可以从In0.18Al0.82N/AlN/GaN异质结肖特基二极管的正向I-Ⅴ曲线分析得到其平带电压V0,然后结合平带电压与零电场下势垒高度的关系式,通过薛定谔和泊松方程自洽迭代计算可以得到肖特基二极管的势垒高度。3、AlGaN/AlN/GaN、In0.18Al0.82N/AlN/GaN和AlGaAs/GaAs异质结场效应晶体管低电场下2DEG电子迁移率比较研究基于实验测试得到的AlGaN/AlN/GaN、In0.18Al0.82N/AlN/GaN和AlGaAs/GaAsHFETs器件C-V曲线和Ⅰ-Ⅴ输出特性曲线,利用推导得到的迁移率计算公式,可得到源漏电压为0.1V时HFETs器件2DEG电子迁移率随外加栅偏压的变化曲线。研究发现Ⅲ-Ⅴ氮化物(AlGaN/AlN/GaN和In0.18Al0.82N/AlN/GaN)HFETs器件同AlGaAs/GaAsHFETs器件2DEG电子迁移率随栅偏压的变化趋势有很大不同。在Ⅲ-Ⅴ氮化物HFETs器件中,2DEG电子迁移率随栅偏压的变化趋势与栅长同源漏间距的比值(LG/LSD)有很大关系,但是栅长同源漏间距的比值LG/LSD对AlGaAs/GaAsHFETs器件2DEG电子迁移率随栅偏压的变化趋势没有影响。分析表明这主要是由Ⅲ-Ⅴ氮化物HFETs器件中极化库仑场散射的影响所导致的。
【作者】栾崇彪；
【导师】林兆军；
【作者基本信息】山东大学，微电子学与固体电子学，2014，博士
【关键词】AlGaN/AlN/GaN异质结构；InAlN/AlN/GaN异质结构；二维电子气密度；电子迁移率；极化电荷密度；极化库仑场散射；肖特基接触势垒高度；亚阈值摆幅；

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