GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)及HEMT器件制備研究.pdf

1、因?yàn)榈?GaN)基材料禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、耐高壓、抗輻照、容易形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)、具有大的自發(fā)和壓電極化產(chǎn)生的高二維電子氣(2DEG)濃度，故特別適合制備新一代高頻大功率電子器件和高速低耗損電力電子器件，在軍用和民用領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)今世界上半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本論文重點(diǎn)圍繞GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)和高電子遷移率晶體管(HEMT)器件存在的部分問題，開展了N面極性GaN/AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論研究，鐵

2、(Fe)摻雜高阻GaN材料和GaN基HEMT結(jié)構(gòu)材料的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長研究，以及GaN基HEMT器件的制備及電流崩塌研究。所取得的主要研究結(jié)果如下:
　　1.首次系統(tǒng)研究了N面極性GaN/AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG和二維空穴氣(2DHG)濃度隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，為新型N面極性GaN/AlxGa1-xN/GaN HEMT器件的設(shè)計(jì)和分析提供了有重要參考價(jià)值的理論指導(dǎo)。
　　通過薛定諤

3、方程和泊松方程的自洽求解，系統(tǒng)研究了N面極性GaN/AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG和2DHG濃度隨GaN帽層厚度、AlGaN背勢壘層厚度和鋁(Al)組分x、AlGaN背勢壘層和下GaN層中n型摻雜濃度的變化規(guī)律。對(duì)于非故意摻雜的N面極性GaN/AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn):隨GaN帽層厚度的增加，上界面處的2DEG濃度從無到有，逐漸增加;下界面處的2DHG濃度略微下降，直到趨于飽和。隨著AlxGa1-N背勢

4、壘層厚度的增加，上界面處的2DEG和下界面處的2DHG濃度均增加。隨著AlxGa1-xN背勢壘層中Al組分x的增加，上界面處的2DEG和下界面處的2DHG濃度均增加。對(duì)于AlxGa1-xN背勢壘層和下GaN層中故意摻入n型雜質(zhì)的N面極性GaN/AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn):對(duì)AlxGa1-xN背勢壘層進(jìn)行n型摻雜，可形成只在上界面處存在2DEG，在下界面處不存在2DHG的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，而且，上界面處的2DEG濃度隨AlxGa

5、1-xN背勢壘層中n型摻雜濃度的增加而增加。對(duì)下GaN層進(jìn)行n型δ摻雜，隨著摻雜濃度的增加，下界面處的2DHG濃度會(huì)逐漸減少直至消失;存在一個(gè)上界面處既沒有2DEG、下界面處也沒有2DHG的摻雜濃度范圍;進(jìn)一步增加下GaN層n型δ摻雜的濃度，上界面處的2DEG濃度會(huì)隨著δ摻雜濃度的增加而迅速增加。揭示了N面極性GaN/AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中上界面處2DEG的四種可能起源。
　　2.研究了鐵(Fe)調(diào)制摻雜和非故意摻雜

6、GaN高阻緩沖層對(duì)HEMT器件性能的影響，發(fā)現(xiàn)Fe調(diào)制摻雜高阻GaN緩沖層HEMT器件具有更好的可靠性。
　　利用MOCVD技術(shù)，生長了具有不同F(xiàn)e摻雜濃度的GaN緩沖層，研究了Fe摻雜濃度對(duì)GaN緩沖層電阻率、表面形貌和晶體質(zhì)量的影響。分別通過Fe調(diào)制摻雜和非故意摻雜方式，在4英寸藍(lán)寶石襯底上研制出了表面形貌好、電阻率高達(dá)107Ω·cm的高阻GaN緩沖層外延材料，并以此為基礎(chǔ)研制了GaN/AlxGa1-xN/AlN/GaN HE

7、MT結(jié)構(gòu)材料。Fe調(diào)制摻雜高阻GaN緩沖層HEMT結(jié)構(gòu)材料（樣品A）的平均方塊電阻為348Ω/sq，2DEG遷移率為2503cm2/V·s;非故意摻雜高阻GaN緩沖層HEMT結(jié)構(gòu)材料（樣品B）的平均方塊電阻為373Ω/sq，2DEG遷移率為1926cm2/V·s。用樣品A和樣品B分別研制出了HEMT器件，其柵長3μm、柵寬100μm、柵源間距5μm、柵漏間距20μm。在脈沖模式下，測量了柵極電壓為2V時(shí)，器件的轉(zhuǎn)移特性和柵極漏電流特性，

8、結(jié)果表明，F(xiàn)e調(diào)制摻雜高阻GaN緩沖層HEMT具有更高的最大飽和電流密度(395mA/mm)和更小的柵極漏電流(3.32×10-7A)。另外，在不同柵極電壓應(yīng)力和漏極電壓應(yīng)力作用下，測量了器件的直流輸出特性以及轉(zhuǎn)移特性，結(jié)果表明，F(xiàn)e調(diào)制摻雜高阻GaN緩沖層HEMT在柵壓關(guān)斷應(yīng)力下具有更好的可靠性。
　　3.首次提出了源柵雙場板GaN/In0.17Al083N/AlN/GaNHEMT器件結(jié)構(gòu)。研究了不同偏壓應(yīng)力對(duì)無場板、柵場板和源

9、柵雙場板GaN/In0.17Al0.83N/AlN/GaN HEMT器件漏極輸出電流的影響。結(jié)果表明源柵雙場板HEMT器件可有效抑制與偏壓應(yīng)力相關(guān)的電流崩塌現(xiàn)象。
　　利用MOCVD技術(shù)，在2英寸藍(lán)寶石襯底上研制了GaN/In017Al0.83N/AlN/GaNHEMT結(jié)構(gòu)材料，其室溫2DEG濃度和遷移率分別為2.432×1013cm-2和850cm2/V·s，方塊電阻為302Ω/sq。為了研究不同場板結(jié)構(gòu)對(duì)器件漏極電流退化的影響

10、，用上述材料分別研制了無場板（器件A）、只有柵場板（器件B）和具有源柵雙場板（器件C）的HEMT器件，并對(duì)器件在施加偏壓應(yīng)力前、施加關(guān)態(tài)和開態(tài)應(yīng)力后的直流特性進(jìn)行了測試。發(fā)現(xiàn)源柵雙場板結(jié)構(gòu)可有效降低GaN/In0.17Al0.83N/AlN/GaN HEMT器件的漏極電流退化。在關(guān)態(tài)應(yīng)力條件下，測量了上述三種器件在柵壓為2V時(shí)的直流輸出特性曲線，結(jié)果表明源柵雙場板器件的漏極電流降低率為3.32％，小于柵場板器件的7.57％和無場板器件的