X波段AIGa-GaN HEMT器件物理與相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、具有高溫、高頻和大輸出功率能力的寬禁帶AlGaN/GaN HEMT器件已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題。由于異質(zhì)外延生長(zhǎng)的AlGaN/GaN HEMT材料存在晶格和熱失配問題，特別是GaN基異質(zhì)結(jié)器件存在很強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，從而導(dǎo)致器件中存在許多物理效應(yīng)的作用機(jī)制仍不明確，而相關(guān)的實(shí)驗(yàn)如材料表征、應(yīng)變分析、離子注入摻雜、歐姆接觸和電流崩塌等仍然存在許多科學(xué)問題需要進(jìn)一步深入研究。
　　 本論文圍繞X波段AlGaN/GaN H

2、EMT所涉及的器件物理和相關(guān)實(shí)驗(yàn)等科學(xué)技術(shù)問題開展了基礎(chǔ)研究，取得的主要研究結(jié)論如下。
　　 1、基于對(duì)AlGaN/GaN HEMT自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的研究，導(dǎo)出了異質(zhì)結(jié)中的極化強(qiáng)度和晶格常數(shù)及彈性系數(shù)之間的關(guān)系；利用電中性平衡原理，建立了非故意摻雜AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)中極化面電荷密度和2DEG之間的物理模型。
　　 2、應(yīng)用高分辨X射線衍射技術(shù)(HRXRD)的GaN材料晶格參數(shù)精確測(cè)量方法，深入研究

3、了GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料水平和垂直方向的應(yīng)變情況；同時(shí)利用Williamson-Hall方法測(cè)量了外延材料的鑲嵌結(jié)構(gòu)參數(shù)，明確了材料中存在的位錯(cuò)類型，對(duì)螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)的位錯(cuò)密度進(jìn)行了精確計(jì)算，獲得總的位錯(cuò)密度為109cm-2量級(jí)。
　　 3、通過Si離子注入GaN材料的摻雜實(shí)驗(yàn)，在較低溫度下(＜1100℃)利用快速熱退火技術(shù)實(shí)現(xiàn)了GaN的重?fù)诫s目的，為制作高質(zhì)量歐姆接觸提供了新的技術(shù)途徑。研究表明，當(dāng)注入能量1OOkeV和注入劑量

4、1016cm-2的樣品在11OO℃快速熱退火處理后可實(shí)現(xiàn)重?fù)诫s，其載流子面密度為2×1015cm-2、方塊電阻100Ω/□，而穿透位錯(cuò)密度降低至1.55×109cm-2。同時(shí)，利用光致發(fā)光PL譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)了能量分別為2.61eV與2.67eV藍(lán)光發(fā)光(BL)譜線，這與前人研究的結(jié)果有所不同。進(jìn)一步研究表明，2.61eV藍(lán)光BL發(fā)光是由施主能級(jí)ON到深受主復(fù)合能級(jí)VGa-SiGa的躍遷發(fā)光產(chǎn)生的，而2.67eV BL帶發(fā)光是由20meV左右

5、的SiGa淺施主能級(jí)向VGa-ON復(fù)合深受主能級(jí)之間電子躍遷輻射發(fā)光所產(chǎn)生。
　　 4、在非故意摻雜GaN上實(shí)現(xiàn)了低比接觸電阻率的高質(zhì)量多層金屬歐姆接觸。采用Ti(15nm)/A1(220nm)/Ni(40nm)/Au(50nm)四層金屬在非故意摻雜GaN上進(jìn)行歐姆接觸實(shí)驗(yàn)研究，在N2氣氛中經(jīng)溫度900℃快速熱退火1min后獲得了最低的比接觸電阻率為1.26×10-7Ω.cm2。經(jīng)XRD和俄歇能譜剖面分析結(jié)果表明，Ti和Al之間

6、反應(yīng)形成低功函數(shù)A1Ti金屬相可降低勢(shì)壘高度，同時(shí)氮(N)的析出與Ti之間會(huì)形成低電阻低功函數(shù)的TiN金屬相，導(dǎo)致在GaN導(dǎo)帶邊緣能級(jí)位置以n型施主態(tài)存在大量N空位，使金屬與n-GaN界面處產(chǎn)生重?fù)诫s效果，導(dǎo)致勢(shì)壘寬度變薄有利于形成高質(zhì)量的歐姆接觸。
　　 5、基于虛柵模型解釋GaN HEMT電流崩塌效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理；為盡量降低自熱效應(yīng)特別設(shè)計(jì)制作了柵寬1Oμm的AlGaN/GaN HEMT器件進(jìn)行電流崩塌實(shí)驗(yàn)，建立了脈沖條件下電

7、流崩塌實(shí)驗(yàn)新方法。研究指出，脈沖頻率和寬度變化均會(huì)導(dǎo)致器件呈現(xiàn)不同程度的電流崩塌效應(yīng)，與器件表面態(tài)中電子的俘獲和釋放機(jī)制密切相關(guān)。并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)器件參數(shù)，從而降低了溝道電子峰值溫度達(dá)到抑制電流崩塌目的。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，鈍化后GaN HEMT電流崩塌量降低至僅4.7％。
　　 6、優(yōu)化設(shè)計(jì)影響頻率和功率特性的器件結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵工藝參數(shù)，研發(fā)了有和無臺(tái)面隔離的器件版圖和工藝流程，制作了具有優(yōu)良頻率和功率性能的X波段AlGaN/GaN

8、 HEMT器件。
　　 研究結(jié)果表明，半絕緣SiC襯底上0.25μm柵長(zhǎng)、100μm柵寬的AlGaN/GaNHEMT器件，在零柵壓下源漏飽和電流為1112mA/mm，跨導(dǎo)250mS/mm;截止頻率fT和最大振蕩頻率fmax分別為41.5GH和108GHz;采用負(fù)載-牽引(Load Pull)方法在柵源電壓-3.2V、源漏電壓28V和8GHz連續(xù)波條件下測(cè)試，獲得器件的輸出功率密度是5.62W/mm、增益7.49dB、功率附加效率