AlGaN-AlN-GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中極化庫(kù)侖場(chǎng)散射機(jī)制變溫研究.pdf

1、信息化已成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，微電子技術(shù)在推進(jìn)社會(huì)信息化進(jìn)程中起了很大作用。而半導(dǎo)體器件性能的提高直接影響了微電子技術(shù)的發(fā)展。半導(dǎo)體器件在以高效率、小型化等為發(fā)展目標(biāo)不斷追求技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，也越來(lái)越注重追求低污染、低能耗的環(huán)保優(yōu)點(diǎn)。采用新興半導(dǎo)體材料與器件實(shí)現(xiàn)高效小型及節(jié)能環(huán)保刻不容緩。其中，作為GaN基電子器件重要代表的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(AlGaN/GaN HFETs)，因其優(yōu)異的高溫高頻大功率等特性能夠滿足當(dāng)

2、今社會(huì)發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體器件高性能的要求，而備受國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。
　　早在2010年，商用AlGaN/GaN HFETs器件就已推向市場(chǎng)。近年來(lái)，隨著GaN技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能商用AlGaN/GaN HFETs產(chǎn)品不斷更新并已在越來(lái)越多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。其中，高溫領(lǐng)域的應(yīng)用是AlGaN/GaN HFETs的重要優(yōu)勢(shì)之一。因此對(duì)器件特性隨溫度變化的研究非常必要。目前有關(guān)AlGaN/GaN HFETs器件變溫特性的報(bào)道集中在對(duì)高溫下其飽和漏

3、電流密度、跨導(dǎo)和截止頻率等的下降上即其電學(xué)特性退化的評(píng)估上，而缺乏對(duì)其退化機(jī)理的深入探討。明確器件性能參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律和機(jī)理是實(shí)現(xiàn)器件在高溫下保持高性能的基礎(chǔ)。電子遷移率是研究器件性能參數(shù)的重要參數(shù)。而散射機(jī)制是電子遷移率的重要影響因素。因此研究散射機(jī)制隨溫度變化的規(guī)律對(duì)分析器件的性能參數(shù)受溫度的影響至關(guān)重要。2007年，在對(duì)AlGaN/GaN HFETs器件輸運(yùn)特性的研究中，一種新散射機(jī)制—極化庫(kù)侖場(chǎng)散射(PCF散射)被首次提出。

4、PCF散射源于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處分布不均勻的極化電荷。器件制造過(guò)程中金屬淀積工藝及器件工作過(guò)程中漏極和柵極所加電壓導(dǎo)致源漏間AlGaN勢(shì)壘層應(yīng)變分布不均勻是引起異質(zhì)結(jié)界面處極化電荷分布不均勻的主要原因。從2007年P(guān)CF散射機(jī)制被首次提出，到2014年這一新散射機(jī)制理論模型建立，極化庫(kù)侖場(chǎng)散射理論在不斷完善中已歷經(jīng)近10年發(fā)展。期間直至目前理論驗(yàn)證和修正的研究工作一直在進(jìn)行。然而這些研究大都僅限于室溫下PCF散射對(duì)GaN電子

5、器件載流子輸運(yùn)特性和器件電學(xué)特性的影響。變溫情況下PCF散射對(duì)GaN電子器件載流子輸運(yùn)特性和器件電學(xué)特性的影響尚需研究和探討。因此本論文主要就溫度對(duì)AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(AlGaN/AlN/GaN HFETs)中二維電子氣(2DEG)電子遷移率(μn)和器件電學(xué)參數(shù)的影響進(jìn)行了研究(目前的AlGaN/GaN HFETs器件都是采用了有薄AlN插層的AlGaN/AlN/GaN HFETs器件，本論文研究的AlGaN

6、/GaN HFETs器件，都是AlGaN/AlN/GaN HFETs器件)，特別是溫度變化過(guò)程中，就PCF散射對(duì)AlGaN/AlN/GaN HFETs器件中μn的影響進(jìn)行了研究，進(jìn)而分析研究了高溫過(guò)程中，PCF散射對(duì)AlGaN/AlN/GaN HFETs器件的性能參數(shù)Rs(柵源間寄生電阻)的影響情況。具體包括以下內(nèi)容:
　　1、AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子體系的變溫研究
　　制備了源漏間距100μm，

7、柵長(zhǎng)30μm的AlGaN/AlN/GaN HFETs器件，對(duì)制備的AlGaN/AlN/GaN HFETs器件進(jìn)行了變溫電流-電壓(I-V)和電容-電壓(C-V)測(cè)試，基于測(cè)試得到的不同溫度下的C-V和I-V曲線，并通過(guò)在Matlab環(huán)境下薛定諤方程和泊松方程的自洽求解，研究了溫度對(duì)AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子體系(包括2DEG的濃度、子帶結(jié)構(gòu)、子帶占據(jù)和三角形勢(shì)阱深度等)的影響。發(fā)現(xiàn)AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)

8、結(jié)界面處的三角形勢(shì)阱隨溫度的升高而逐漸變淺變寬，對(duì)2DEG電子的限制作用也隨之逐漸變?nèi)?，?dǎo)致2DEG電子分布逐漸延展向GaN一側(cè);且柵偏壓為零時(shí)的2DEG電子密度、費(fèi)米能級(jí)Ef和異質(zhì)界面極化電荷密度隨之逐漸減小。這其中一個(gè)原因是隨溫度上升，電子熱激發(fā)能(KBT)增大，三角形勢(shì)阱中的2DEG電子熱激發(fā)到更高能態(tài)的幾率增大，2DEG電子體系的量子特征減弱;另外一個(gè)重要原因歸為AlGaN勢(shì)壘層及GaN溝道層具有的熱膨脹系數(shù)不同，因此升高溫度，

9、將減小AlGaN勢(shì)壘層的應(yīng)變能，從而會(huì)減弱AlGaN勢(shì)壘層的極化電場(chǎng)，進(jìn)而將變淺三角形勢(shì)阱的阱深，最終降低了2DEG電子的限制作用。
　　2、AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電子遷移率的變溫研究
　　(a)室溫下AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率的研究。制備了源漏間距為100μm、柵長(zhǎng)為40μm的AlGaN/AlN/GaN HFETs器件，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的AlGaN/AlN/GaN HF

10、ETs的C-V、I-V特性曲線，結(jié)合理論計(jì)算定量研究了室溫下各種散射機(jī)制(長(zhǎng)縱光學(xué)聲子散射(LO聲子散射)、界面粗糙度散射(IFR散射)、聲學(xué)形變勢(shì)散射(DP散射)、壓電散射(PE散射)、位錯(cuò)散射(DIS散射)以及PCF散射)對(duì)AlGaN/AlN/GaN HFETs中柵下溝道2DEG電子遷移率的影響。通過(guò)μn隨2DEG面密度的變化進(jìn)行分析表明:室溫下LO聲子散射對(duì)μn的大小起主導(dǎo)作用，而PCF散射對(duì)μn隨2DEG面密度的變化趨勢(shì)起主導(dǎo)作

11、用。
　　(b)AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率的低溫研究。通過(guò)對(duì)所制備的器件(低溫研究器件與室溫研究器件相比，除在異質(zhì)結(jié)材料體系上有所不同外，器件尺寸和器件工藝等方面都一樣)在100～300K范圍內(nèi)進(jìn)行C-V和-V曲線測(cè)試，并應(yīng)用馬西森定則定量分析了低溫100～300K下各散射機(jī)制對(duì)AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率的影響。通過(guò)對(duì)低溫100～300K范圍內(nèi)μn隨2DEG面密度變化

12、情況的分析表明:100～200 K溫度范圍，PCF散射是柵下溝道載流子最重要的散射機(jī)制，PCF散射對(duì)柵下溝道中μn的大小及μn隨2DEG面密度變化的趨勢(shì)都起主導(dǎo)作用;隨著溫度的升高PCF散射對(duì)μn的影響不斷減弱，出現(xiàn)這一結(jié)果的主要原因?yàn)?溫度升高過(guò)程中LO聲子散射不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致PCF散射對(duì)μn影響的比重不斷減小。
　　(c)不同器件結(jié)構(gòu)的AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率的高溫研究。制備了源漏間距均為100

13、μm、柵長(zhǎng)分別為30μm、50μm及70μm的三個(gè)方形AlGaN/AlN/GaN HFETs樣品。通過(guò)高溫300～500K范圍內(nèi)測(cè)試得到的C-V、I-V特性曲線，分析了高溫300～500K下的三個(gè)樣品中μn隨2DEG面密度的變化情況。研究表明:在300～500K溫度范圍內(nèi)，PCF散射依然是AlGaN/AlN/GaN HFETs器件中柵下溝道載流子的一種重要散射機(jī)制，特別是對(duì)LG/LSD較小的器件(LG/LSD＜1/2)，即使在溫度上升到

14、500K時(shí)，PCF散射依然對(duì)柵下溝道中μn隨2DEG面密度的變化趨勢(shì)有重要影響。
　　3、AlGaN/AlN/GaN HFETs中柵源間電阻RS的高溫研究
　　(a)溫度對(duì)柵源間電阻Rs的影響。制備了源漏間距、柵源間距及柵長(zhǎng)分別為100μm、20μm及20μm的方形AGaN/AlN/GaN HFETs器件，并通過(guò)高溫300～500K范圍內(nèi)測(cè)得的I-V、 C-V特性曲線及柵探針?lè)y(cè)得的RS，分析研究了溫度對(duì)AlGaN/AlN/

15、GaN HFETs中Rs的影響，特別是就不同溫度下PCF散射對(duì)RS的影響進(jìn)行了研究。研究表明:在300～500K溫度范圍內(nèi)，PCF散射對(duì)AlGaN/AlN/GaN HFETs中的RS有重要影響;隨溫度增加，在同樣正向柵源電流條件下，柵源偏壓降低，柵下附加極化電荷量減小，其對(duì)應(yīng)的PCF散射勢(shì)減弱，從而使得PCF散射對(duì)Rs的影響降低;通過(guò)對(duì)AlGaN/AlN/GaN HFETs中RS的變溫分析證實(shí)了柵下附加極化電荷對(duì)應(yīng)的附加散射勢(shì)(PCF散

16、射勢(shì))與歐姆接觸附近附加極化電荷對(duì)應(yīng)的附加散射勢(shì)(PCF散射勢(shì))在散射AlGaN/AlN/GaN HFETs器件柵源間溝道載流子時(shí)存在相互作用。
　　(b)不同器件結(jié)構(gòu)的AlGaN/AlN/GaN HFETs中柵源間電阻RS的高溫研究。制備了源漏間距和柵長(zhǎng)均為100μm和20μm，柵源間距分別為10μm及30μm的兩個(gè)方形AlGaN/AlN/GaN HFETs樣品。通過(guò)高溫300～500K范圍內(nèi)測(cè)試得到的C-V、I-V特性曲線及柵