AlN-GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管器件特性研究.pdf

1、近年來，隨著半導(dǎo)體材料生長工藝的不斷成熟，AlN/GaN作為Ⅲ族氮化物異質(zhì)材料體系的代表，受到越來越多的關(guān)注。相對于傳統(tǒng)的AlGaN/GaN材料體系，AlN/GaN具有更大的導(dǎo)帶帶階差(1.897eV)、更強(qiáng)的自發(fā)極化與壓電極化效應(yīng)，因此能獲得更大的二維電子氣(2DEG)密度和對載流子起更好的限制作用。即使不通過任何形式的摻雜，在AlN/GaN異質(zhì)界面的量子阱中依然可以產(chǎn)生高達(dá)～1013cm-2的2DEG密度。正因?yàn)锳lN/GaN異質(zhì)結(jié)

2、場效應(yīng)晶體管(HFETs)具有2DEG密度高、飽和電子漂移速度大、擊穿電場強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在高溫、高頻、大功率等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　AlN/GaN電子器件的研究已經(jīng)進(jìn)行了很多年，目前也取得了一系列進(jìn)展，但一些問題的存在，大大制約了AlN/GaN器件的商業(yè)化進(jìn)程。例如:由于生長工藝的限制，很難獲得高質(zhì)量的AlN勢壘層和AlN/GaN異質(zhì)界面形貌;AlN/GaNHFETs器件2DEG密度和電子遷移率實(shí)際所測值遠(yuǎn)低于AlN/Ga

3、N異質(zhì)結(jié)材料理論預(yù)言值;由于AlN和GaN晶格失配大，高質(zhì)量的AlN外延層很難生長，大量的陷阱態(tài)存在于異質(zhì)界面處等。因此，深入研究AlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料和器件的特征參數(shù)對AlN/GaNHFETs的發(fā)展具有非常重要的意義?；贏lN/GaNHFETs中存在的這些問題，本論文主要研究的內(nèi)容包括勢壘層應(yīng)變對AlN/GaNHFETs異質(zhì)界面極化電荷密度和溝道2DEG電子遷移率的影響，以及材料生長和器件制備等工藝在異質(zhì)界面處引入的陷阱態(tài)信息。本

4、論文主要研究內(nèi)容和結(jié)論概括如下:
　　1.AlN/GaNHFETs勢壘層應(yīng)變的研究
　　本章首先利用晶格常數(shù)等參數(shù)理論計(jì)算了AlN/GaN異質(zhì)界面極化電荷密度。然后根據(jù)電容-電壓(C-V)測試和二極管電流-電壓(I-V)測試結(jié)果，通過薛定諤方程-泊松方程自洽求解計(jì)算了AlN/GaNHFETs異質(zhì)界面極化電荷密度。比較兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)器件實(shí)際極化電荷密度遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值，表明傳統(tǒng)自發(fā)極化方法已經(jīng)不適用于AlN/Ga

5、N實(shí)際材料及器件。其原因在于AlN和GaN間大的晶格失配，材料生長過程中會由于晶格失配或熱失配導(dǎo)致勢壘層發(fā)生應(yīng)變弛豫，影響勢壘層應(yīng)變分布。另外，器件制備過程中的歐姆退火工藝也會對超薄AlN勢壘層應(yīng)變產(chǎn)生影響。最后，我們總結(jié)并分析了浮柵應(yīng)力對AlN/GaNHFETs勢壘層應(yīng)變的影響。
　　2.(Ni/Au)-AlN/GaNSBDs異質(zhì)結(jié)界面陷阱態(tài)的研究
　　從空間分布來考慮(Ni/Au)-AlN/GaN肖特基勢壘二極管(SBD

6、s)中陷阱態(tài)主要存在四個(gè)位置:(1)(Ni/Au)-AlN肖特基接觸界面，(2)AlN勢壘層中，(3)AlN/GaN異質(zhì)材料界面處，(4)GaN層內(nèi)，不同位置處陷阱電荷在變頻C-V測試曲線中所反映的頻散現(xiàn)象不同。根據(jù)二極管C-V測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本論文所采用樣品中陷阱態(tài)主要存在異質(zhì)界面處。綜合I-V和G-V曲線測試結(jié)果，在完善AlN/GaNHFETs等效電路模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用電導(dǎo)法重點(diǎn)分析了器件異質(zhì)界面陷阱態(tài)密度、時(shí)間常數(shù)和陷阱能級等特性參