極化庫侖場散射對AlGaN-GaN電子器件特性影響研究.pdf

1、AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應晶體管(HFET)是第三代半導體中非常具有代表性的電子器件。GaN材料寬的禁帶寬度和穩(wěn)定的化學性質(zhì)，使得AlGaN/GaN電子器件的臨界擊穿電場很高、抗輻射和抗腐蝕能力很強;更為重要的是，由于GaN材料的自發(fā)極化與壓電屬性，在GaN上外延生長AlGaN勢壘層制備的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料，無需任何摻雜便可在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處產(chǎn)生量子限制作用極強的高濃度二維電子氣，且載流子遷移率非常高。高的載

2、流子濃度和遷移率以及高的擊穿電場使得AlGaN/GaN電子器件在微波功率器件和電力電子器件領域有著極為廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻们熬?。?jīng)過二十多年的發(fā)展，AlGaN/GaN電子器件已經(jīng)取得了長足的進展，然而其依然面臨諸多挑戰(zhàn)。其中，器件高頻和功率性能的進一步提升以及器件的可靠性都是目前面臨的重要問題。
　　極化是GaN基電子器件的重要特征，器件勢壘層應變分布的不均勻會導致極化電荷分布的不均勻，進而引起極化庫侖場散射，該散射是GaN基電子

3、器件所特有的載流子散射機制，而且已有研究表明該散射機制對GaN基電子器件載流子低場遷移率和可靠性有著重要影響。但是由于勢壘層厚度等原因，與該散射機制密切相關的勢壘層極化和應變完整分布目前無法通過實驗直接確定。此外，由于逆壓電效應，不同的偏置狀態(tài)會導致不同的應變和極化電荷分布，從而引起不同的極化庫侖場散射勢，形成對柵源接觸區(qū)溝道載流子不同的散射作用，進而導致不同的柵源接觸區(qū)電阻以及非本征跨導，但是目前極化庫侖場散射對GaN基電子器件該方面

4、電學性能參數(shù)影響的研究未有報道。另外，由于GaN緩沖層與襯底間存在晶格失配以及熱失配，GaN緩沖層不可避免地存在應變，而這一應變的不確定性也使得器件可靠性受到影響;而且GaN緩沖層中存在的陷阱態(tài)，使得GaN器件在施加偏壓工作時，存在流經(jīng)GaN緩沖層的漏電流，這對器件開關特性非常不利。本論文以上述問題為切入點，力圖通過相應的研究分析，為AlGaN/GaN電子器件的進一步發(fā)展帶來推動與促進作用，具體包括以下內(nèi)容:
　　1.AlGaN/

5、GaN異質(zhì)結(jié)場效應晶體管中異質(zhì)結(jié)界面附加極化電荷分布確定及勢壘層應變能分析
　　制備了柵長為微米和亞微米級別的不同尺寸AlGaN/GaN HFET器件，根據(jù)測試得到的電容電壓曲線以及電流電壓曲線，分別計算得到了各個尺寸器件的載流子低場遷移率。與已有研究中更大尺寸器件的載流子低場遷移率對比發(fā)現(xiàn)，隨著器件尺寸的等比例縮小，極化庫侖場散射在載流子輸運中起到的作用越來越大;對于具有相同漏源間距的AlGaN/GaN HFET器件，隨著柵長的

6、減小，遷移率表現(xiàn)出了隨柵源偏壓變化更大的斜率，表明極化庫侖場散射更強。
　　根據(jù)極化庫侖場散射與AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面極化電荷分布間的關聯(lián)關系，利用得到的不同柵源偏壓下低場遷移率數(shù)值以及極化庫侖場散射理論模型，提出了一種自洽迭代過程求解整個漏源之間區(qū)域AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面附加極化電荷分布的方法，并根據(jù)極化與應變之間的關系，得到了整個漏源之間區(qū)域AlGaN勢壘層的應變分布。并給出了極化/應變、柵下勢壘層上下表面電勢差以

7、及器件尺寸三者間的關系表達式，而且采用其它尺寸器件的低場遷移率數(shù)值，驗證了這一關系表達式。
　　根據(jù)得到的關系表達式，分析了AlGaN勢壘層應變能的情況，發(fā)現(xiàn)在-2 V到0V柵源偏壓范圍內(nèi)，雖然柵源偏壓使得柵下AlGaN勢壘層張應變和應變能減小，但是柵下AlGaN勢壘層晶格的收縮同時會拉動其相鄰區(qū)域晶格的伸張，使得相鄰區(qū)域勢壘層的張應變增大，應變能增大。而對于整個AlGaN勢壘層來說，總的應變能保持相對恒定。
　　2.極化庫

8、侖場散射對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應晶體管柵源接觸區(qū)電阻和非本征跨導的影響
　　制備了漏源間距20μm，柵長分別為12μm、4μm和4μm，柵源間距分別為4μm、4μm和8μm的三組AlGaN/GaN HFET器件，在不同的正向柵源電流IGS下，采用傳統(tǒng)的柵探針測試方法對這三組器件的柵源接觸區(qū)電阻Rs進行測試，發(fā)現(xiàn)三組器件的Rs值均隨著尼S的增大而減小。分析表明，其原因在于，隨著正向IGS的增大，柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界

9、面處正的附加極化電荷增大，更大程度地抵消漏源歐姆電極附近AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處負的附加極化電荷，導致極化庫侖場散射強度降低，Rs減小。同時發(fā)現(xiàn)，更長的柵長和更短的柵源間距對應更顯著的柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面附加極化電荷的影響，使得極化庫侖場散射對Rs的影響程度更大。另外，不同尺寸器件所表現(xiàn)出來的非本征跨導gm曲線也從另一個角度證明了AlGaN/GaN電子器件中，極化庫侖場散射對器件的Rs和跨導性能的影響。
　　然后

10、，選取熱載流子和熱聲子效應更為顯著的、具備主流微波功率器件尺寸(2μm漏源間距和100nm柵長）的AlGaN/GaN電子器件進行研究，基于傳統(tǒng)的柵探針測試Rs的方法，提出了一種新型的測試計算方法來得到對應于器件電流電壓輸出特性曲線飽和區(qū)各個靜態(tài)工作點的Rs值，采用此方法測試得到的Rs值能夠與各個靜態(tài)工作點下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷的分布相對應。測試得到的各靜態(tài)工作點下的Rs值隨漏源電流IDS的增大而非線性增加。

11、　　根據(jù)測試得到的柵源接觸區(qū)電阻Rs值，得到了各靜態(tài)工作點下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的附加極化電荷分布。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的附加極化電荷產(chǎn)生的附加散射勢對柵源接觸區(qū)溝道載流子的輸運產(chǎn)生影響，從而影響Rs。結(jié)合極化庫侖場散射理論模型，具體給出了極化庫侖場散射對Rs的作用機理表達式。
　　利用極化庫侖場散射對柵源接觸區(qū)電阻Rs的作用機理表達式以及測試得到的各靜態(tài)工作點下的Rs值，結(jié)合極性光學聲子散射、壓電散射和界面粗

12、糙散射等其它幾種主要的散射機制對Rs的作用，具體計算得到了各散射機制對Rs的貢獻。結(jié)果表明，壓電散射與界面粗糙散射對Rs的貢獻不大，且基本不隨漏源電流IDS的增大而變化，對Rs起主要影響作用的是極性光學聲子散射和極化庫侖場散射。極性光學聲子散射對應的Rs組分隨IDS的增大而急劇增大，這是因為隨著IDS的升高，電子溫度升高，電子與極性光學聲子間強烈的相互作用使得極性光學聲子溫度隨著電子溫度同步升高，因而極性光學聲子散射強度快速增大，對載流

13、子在柵源接觸區(qū)溝道的輸運過程產(chǎn)生更強的散射作用。極化庫侖場散射對應的Rs組分隨著IDS的增大而減小，這是由于隨著漏源電流的增大，柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷絕對值減小，導致極化庫侖場散射勢減小，極化庫侖場散射對柵源接觸區(qū)溝道載流子散射作用減弱。此外，相比于壓電散射與界面粗糙散射，極化庫侖場散射在整個Rs組成中占據(jù)的比重更大，最大占據(jù)比重超過了50％，說明極化庫侖場散射對Rs的變化起到非常大的影響作用。
　　相比較

14、于變化其它器件尺寸參數(shù)（比如漏源間距或者柵源間距），變化柵寬可以有效地統(tǒng)一其它影響因素的作用，從而將極化庫侖場散射的作用獨立出來，提供一個更為明確的視角。為此制備了漏源間距為2μm、柵居中且柵長為100nm，柵寬分別為20μm、40μm和75μm的三組AlGaN/GaN HFET器件。測試結(jié)果表明，隨著柵寬的增大，非本征跨導的峰值減小，其原因在于更寬的柵寬對應更大的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷作用強度，從而對應更強的極化庫

15、侖場散射勢，因此柵源間溝道載流子受到的極化庫侖場散射更強，Rs值更大，從而導致非本征跨導值更小。同時發(fā)現(xiàn)，隨著柵寬的增大，非本征跨導隨柵源偏壓的下降斜率變得更緩，這是由于隨著柵源偏壓的增大，柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷絕對值減小，極化庫侖場散射強度降低，導致極化庫侖場散射對應的Rs組分減小，從而抵消或部分抵消了極性光學聲子散射對應的Rs組分的增大，使得總體Rs變化更為平緩，進而可以使得非本征跨導曲線變化更為平緩。更寬的

16、柵寬對應更強的極化庫侖場散射，對極性光學聲子散射的抵消作用更為顯著，因此更寬柵寬的AlGaN/GaN電子器件非本征跨導曲線下降斜率更緩。
　　基于前面的分析，從極化庫侖場散射的角度提出了優(yōu)化AlGaN/GaN電子器件性能的途徑:增強極化庫侖場散射的影響，可以使得極化庫侖場散射對應的Rs組分隨漏源電流IDS的減小速度與極性光學聲子散射對應的Rs組分的增大速度相當，從而使得整體的Rs和非本征跨導隨IDS變化趨于平緩，由此提升器件的線性

17、放大性能。具體來講，從材料結(jié)構(gòu)角度，減小AlGaN勢壘層厚度可以使得在同樣的柵源偏壓條件下，勢壘層垂直方向具有更強的電場，增大Al組分同樣可以使得相關彈性系數(shù)和壓電系數(shù)改變，從而使得柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷增多，極化庫侖場散射增強;器件結(jié)構(gòu)角度，更長的柵長和更寬的柵寬對應更大的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷的作用，更短的柵源間距對應更短的柵下AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處附加極化電荷與柵源接觸區(qū)溝道載流

18、子之間的距離，因此可以增強極化庫侖場散射強度。但同時也需要注意到，增強極化庫侖場散射會使得總的散射強度增大，導致整體的Rs值增大，從而使得非本征跨導的峰值降低。因此，在更平緩的非本征跨導曲線與更大的非本征跨導峰值之間存在權(quán)衡，可以根據(jù)不同的器件應用需要，進行相應的器件設計。
　　3.襯底厚度及襯底偏壓對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應晶體管性能的影響
　　對于在原始厚度為420μm的藍寶石襯底上制備的漏源間距5μm、柵長1μm

19、、柵源間距1μm的AlGaN/GaN HFET器件，采用襯底減薄的方式，在不同的襯底厚度下測試器件的相關特性并進行分析，從而探究藍寶石襯底厚度對AlGaN/GaN電子器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當襯底厚度大于170μm時，器件電學特性基本不發(fā)生變化，而當襯底厚度小于170μm時，器件電學特性發(fā)生較為明顯的變化:器件漏源電流減小、二維電子氣面密度降低以及閾值電壓升高。拉曼光譜與光致發(fā)光譜反映了GaN緩沖層的應變信息:襯底減薄后，GaN緩沖層

20、的壓應變增強。采用自洽求解薛定諤方程和泊松方程的方法計算了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的極化電荷面密度，結(jié)果同樣表明，當襯底厚度大于170μm時，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處極化電荷面密度基本保持恒定，而當襯底厚度低于170μm時，極化電荷面密度降低。采用原子力顯微鏡測試了襯底減薄前后，柵漏電極之間區(qū)域2×2μm2區(qū)域范圍的AlGaN勢壘層的表面形貌，發(fā)現(xiàn)襯底減薄后，AlGaN勢壘層的表面粗糙度增大，間接地反映了AlGaN/GaN異

21、質(zhì)結(jié)界面處位錯密度的增大以及位錯散射的增強和相應載流子遷移率的降低。而70μm襯底厚度下的載流子遷移率比120μm襯底厚度下的載流子遷移率高，表明極化庫侖場散射的減弱，這與極化電荷面密度的變化相一致。
　　除了GaN緩沖層的應變，GaN緩沖層的陷阱態(tài)同樣會對器件的性能產(chǎn)生影響，基于此，提出了一種采用施加襯底偏壓提高器件開關特性的方法。實驗發(fā)現(xiàn)，正向襯底偏壓可以有效地降低器件關態(tài)漏電流，同時保持開態(tài)漏源電流恒定，從而提高AlGaN/

22、GaN電子器件的開關比和亞閾值特性。分析表明，正向襯底偏壓下，器件開關特性得以提高的原因在于，正向襯底偏壓產(chǎn)生的垂直方向的電場傾向于使GaN緩沖層受主型陷阱態(tài)電離和（或）施主型陷阱態(tài)去電離，從而耗盡GaN緩沖層的電子，使得GaN緩沖層電導率降低，漏電流減小。此外正向襯底偏壓會驅(qū)動GaN緩沖層的電子漂移到GaN緩沖層的底部甚至AlN成核層，而空穴到頂部，使得GaN緩沖層電導率進一步降低。襯底減薄后，同樣大小的正向襯底偏壓使得器件的開關特性