介電氧化物-GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能研究.pdf

1、第三代寬禁帶半導(dǎo)體GaN材料具有大的禁帶寬度、良好的導(dǎo)熱性、高的載流子遷移速率和大的擊穿場強(qiáng)。介電氧化物具有豐富的電學(xué)特性，如高的絕緣性和鐵電極化特性等。將介電氧化物與GaN材料進(jìn)行集成，可以得到功能豐富、性能更強(qiáng)和集成度更高的電子器件。但是將介電氧化物與GaN基半導(dǎo)體進(jìn)行集成一直存在器件電學(xué)性能不高和物理機(jī)理尚不明確等問題。對此，本文通過建立介電氧化物薄膜/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理模型，利用數(shù)值模擬的方法研究了該類異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的鐵電極化調(diào)制

2、機(jī)理和界面特性對器件電學(xué)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對相關(guān)介電氧化物薄膜特性和集成器件的性能進(jìn)行了分析。主要工作和結(jié)論如下：
　　1.建立了介電氧化物/GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能模擬模型。利用電荷控制模型，自洽求解Schrdinger-Poisson方程獲得異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電勢分布和載流子分布；通過在電位移方程中考慮界面層厚度、界面層介電常數(shù)和界面態(tài)密度，實(shí)現(xiàn)界面特性對整個器件性能影響的討論。在鐵電/GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)

3、的模擬中，采用Lue鐵電極化模型，實(shí)現(xiàn)非飽和鐵電極化特征的模擬。
　　2.對介電氧化物/n-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能進(jìn)行了模擬，其中主要研究了鐵電極化和界面特性對異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能的影響。結(jié)果表明，鐵電極化可以加速半導(dǎo)體內(nèi)載流子的耗盡與積累之間的轉(zhuǎn)換，從而增強(qiáng)器件的柵極控制；同時鐵電極化可以對GaN體內(nèi)載流子進(jìn)行調(diào)制。對界面特性的研究發(fā)現(xiàn)，界面層厚度越大，介電常數(shù)越小，界面態(tài)密度越大將會導(dǎo)致鐵電極化的調(diào)制能力降低。通過對LiNbO3/n

4、-GaN的電學(xué)性能模擬，發(fā)現(xiàn)LiNbO3鐵電極化達(dá)2.6μC/cm2，其極化和退極化時GaN表面的電子濃度相差達(dá)八個數(shù)量級，這表明LiNbO3/n-GaN集成在制備非易失性半導(dǎo)體存儲器件領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。
　　3.通過對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V曲線模擬，得到了所用AlGaN/GaN半導(dǎo)體襯底的精確參數(shù)，為介電氧化物/AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能模擬奠定基礎(chǔ)。所得參數(shù)如下：AlGaN層厚度dAlGaN=23n

5、m，AlGaN層摻雜濃度NAlGaN<1×1016/cm3，GaN層摻雜濃度NGaN=1×1015/cm3，AlGaN/GaN界面極化電荷密度NP=9.7×1012/cm2，表面勢壘高度SBH=1.3eV。
　　4.分析了Al2O3/AlGaN/GaN MISH異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。通過電學(xué)性能模擬發(fā)現(xiàn)，沉積氧壓越高，Al2O3/AlGaN界面處的負(fù)電荷密度越大，AlGaN/GaN體內(nèi)的二維自由電子氣（2DEG）濃度越小。
　

6、　5.對鐵電/AlGaN/GaN MFSH異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能進(jìn)行了模擬，其中主要研究了鐵電極化和界面特性對異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能的影響。結(jié)果表明，利用薄膜中所存在的鐵電極化及其可翻轉(zhuǎn)性，可實(shí)現(xiàn)對二維自由電子氣的有效調(diào)制。通過對界面特性的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)界面層厚度越大，介電常數(shù)越小，界面態(tài)密度越大將會導(dǎo)致鐵電極化的調(diào)制能力降低。通過對LiNbO3/AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能模擬，發(fā)現(xiàn)在負(fù)柵壓下，LiNbO3鐵電極化達(dá)-0.5μC/cm2，同