極化庫侖場散射對凹柵槽AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)場效應晶體管器件特性影響研究.pdf

1、本論文分別以有無柵槽、柵長和源漏間距為唯一變量制備AlGaN/GaN HFETs，對比探究PCF散射對凹槽柵耗盡型AlGaN/GaNHFETs器件2DEG電子遷移率(μn)、柵源通道電阻(RSch)、非本征跨導(gm)的影響。論文還制備了不同尺寸的凹柵槽增強型AlGaN/GaN HFETs，通過對比分析了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.極化庫侖場散射對凹槽柵耗盡型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電子遷移率和各個散射機制對應的遷移率。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，對于常規(guī)AlGaN/GaN HFETs，當柵長(LG)與源漏間距(LSD)比值小于0.5，PCF散射對2DEG電子遷移率的影響在各種散射機制中占據(jù)主導地位。隨著柵偏壓(VGS)由負向零增加，柵下AlGaN勢壘層受到壓應變逐漸減小，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由負向零增大而增大。且由于隨著VGS增大，PCF散射作用減弱，導致柵下2DEG遷移率增長速度逐漸降低。對于LG/LSD大于0.5的AlGaN/GaNHFETs，柵源、柵漏區(qū)域正附加極化電荷σ2對柵下載流子的散射作用較弱，PCF散射在各種散射機制中不占有主導地位，柵下載流子遷移率趨勢由POP散射主導，隨著VGS增大呈現(xiàn)下降的趨勢。
　　對于凹柵槽耗盡型AlGaN/GaN HFETs，ICP刻蝕和介質(zhì)層的淀積在柵下

5、區(qū)域勢壘層界面引入了正極化電荷和正界面電荷，對于PCF散射，這相當于在柵源、柵漏區(qū)域產(chǎn)生了負附加電荷σ2。VGS為負時，由于逆壓電效應，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散射相對于零柵偏壓時減弱。即隨著VGS由負到零增加，柵源、柵漏區(qū)域負附加電荷增多，PCF散射增強，其對應的2DEG電子遷移率減小。且隨著VGS由負向零靠近，柵下總的2DEG受到

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

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

8、侖場散射對凹槽柵耗盡型AlGaN/GaN HFETs器件柵源通道電阻（RSch）和非本征跨導(gm)的影響
　　(1)極化庫侖場散射對凹槽柵耗盡型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進行對比探究。柵源通道電阻（RSch）采用柵探針法和理論模型擬合得到。對于常規(guī)AlGaN/GaN HFETs，

9、柵偏壓VGS為正時，柵下勢壘層受到張應變增強，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，對歐姆接觸區(qū)域附近由于金屬擴散導致的不隨VGS變化的負附加極化電荷σ1抵消作用增強，PCF散射對柵源、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)域勢壘層界面引入了正

10、極化電荷和正界面電荷，使得在未加柵極電壓時，柵下產(chǎn)生正附加電荷σ3。而隨著VGS增大，柵下勢壘層張應變增強，柵下正附加電荷在原有的基礎上不斷增加，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，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。對于不同柵長的AlGaN/GaN HFETs，柵長越大，PCF散射對柵源通道電阻RSch的影響越明顯，因而柵長越大的常規(guī)器件和凹槽柵耗盡型器件RSch數(shù)值差別越大。
　　(2)極化庫侖場散射對凹槽柵耗盡型AlGaN/GaNHFETs器件非本征跨導(gm)的影響
　　由于器件尺寸較小，器件飽和機理為飽和漂移速度機理，非本征跨導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散射對應的RSch組分和POP散射對應的RSch組分。分析PCF散射對柵源通道電阻RSch的影響時，以柵源、柵漏作為基準，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歐姆接觸區(qū)域由于金屬橫向擴散產(chǎn)生的固定負附

13、加極化電荷產(chǎn)生抵消作用，導致PCF散射對柵源、柵漏區(qū)域溝道中的載流子散射作用減弱，進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，其與極化光學聲子散射的作用不斷增強，這使得電子溫度的上升，POP散射增強，導致柵源通道電阻RSch隨著VGS的增大而增大。對比柵長（LG）和柵源間距（LSD）比值不同的器件，發(fā)現(xiàn)柵長越大的器件，其PCF散射作用強，PCF

14、散射對柵源通道電阻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，柵源通道電阻RSch隨著LG/LSD比值的增大變化越小，器件跨導也就越平緩。
　　3.極化庫侖場散射對凹柵槽增強型AlGaN/GaN HFETs器件特性影響研究
　　(1)極化庫侖場散射對凹柵槽增強型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型AlGaN/GaN HFETs器件勢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)域勢壘層界面引入大量負界面電荷，對于PCF散射，這相當于柵源、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，柵下勢壘層界面總負電荷（勢壘層界面正極化電荷加負界面電荷）減少，PCF散射減弱，隨著VGS增加柵下2DEG遷移率增

16、大。所研究的器件柵源(LGS)、柵漏間距(LGD)相等，柵長越大，柵源、柵漏區(qū)域附加正電荷σ2對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，柵長越長其PCF散射作用越弱，載流子遷移率越大。
　　(2)極化庫侖場散射對凹柵槽增強型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型AlGaN/GaN HFETs，對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)域勢壘層界面引入大量負界面電荷。因而未加柵電壓時，柵下就存在大量的負附加電荷σ3。隨著VGS正向增大，柵下勢壘層張應變增強，柵下負附加電荷σ3減少，對于柵源、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，柵長越短，柵下附加電荷對柵源通道電阻RSch作用