AlGaN表面坑状缺陷及GaN缓冲层位错缺陷对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应的影响

利用金属有机气相外延(MOVPE)技术生长了具有不同AlGaN表面坑状缺陷和GaN缓冲层位错缺陷密度的AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)样品,并对比研究了两种缺陷对器件栅、漏延迟电流崩塌效应的影响.栅延迟测试表明,AlGaN表面坑状缺陷会引起栅延迟电流崩塌效应和源漏电阻的增加,而且表面坑状缺陷越多,栅延迟电流崩塌程度和源漏电阻的增加越明显.漏延迟测试显示,AlGaN表面坑状缺陷对漏延迟电流崩塌影响不大,而GaN缓冲层位错缺陷主要影响漏延迟电流崩塌.研究结果表明,AlGaN表面坑状缺陷和Ga 关键词： AlGaN/GaN HEMT 电流崩塌 坑状缺陷 位错缺陷     

基于GaN基HEMT结构的传感器件研究进展

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有异质结界面处的高二维电子气(2DEG)浓度、宽禁带、高击穿电压、稳定的化学性质以及高的电子迁移率,这些特性使它发展起来的传感器件在灵敏度、响应速度、探测面、适应恶劣环境上具备了显著的优点。本文首先围绕GaN基HEMT的基本结构发展起来的两类研究成熟的传感器,对其结构、工作机理、工作进展以及优缺点进行了探讨与总结;而后,着重从改变器件材料及优化栅结构与栅上材料的角度,阐述了3种GaN基HEMT新型传感器的最新进展,其中,从材料体系、关键工艺、探测结构、原理及新机理方面重点介绍了GaN基HEMT光探测器;最后,探索了GaN基HEMT传感器件未来的发展方向。     

高场应力及栅应力下AlGaN/GaN HEMT器件退化研究

采用不同的高场应力和栅应力对AlGaN/GaN HEMT器件进行直流应力测试,实验发现：应力后器件主要参数如饱和漏电流,跨导峰值和阈值电压等均发生了明显退化,而且这些退化还是可以完全恢复的;高场应力下,器件特性的退化随高场应力偏置电压的增加和应力时间的累积而增大;对于不同的栅应力,相对来说,脉冲栅应力和开态栅应力下器件特性的退化比关态栅应力下的退化大.对不同应力前后器件饱和漏电流,跨导峰值和阈值电压的分析表明,AlGaN势垒层陷阱俘获沟道热电子以及栅极电子在栅漏间电场的作用下填充虚栅中的表面态是这些不同应 关键词： AlGaN/GaN HEMT器件 表面态(虚栅) 势垒层陷阱 应力     

基于脉冲方法的超短栅长GaN基高电子迁移率晶体管陷阱效应机理

陷阱效应导致的电流崩塌是制约GaN基微波功率电子器件性能提高的一个重要因素,研究深能级陷阱行为对材料生长和器件开发具有非常重要的意义.随着器件频率的提升,器件尺寸不断缩小,对小尺寸器件中深能级陷阱的表征变得越发困难.本文制备了超短栅长（L_g=80 nm）的AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（MOSHEMT）,并基于脉冲I-V测试和二维数值瞬态仿真对器件的动态特性进行了深入研究,分析了深能级陷阱对AlGaN/GaN MOSHEMT器件动态特性的影响以及相关陷阱效应的内在物理机制.结果表明,AlGaN/GaN MOSHEMT器件的电流崩塌随着栅极静态偏置电压的增加呈非单调变化趋势,这是由栅漏电注入和热电子注入两种陷阱机制共同作用的结果.根据研究结果推断,可通过改善栅介质的质量以减小栅漏电或提高外延材料质量以减少缺陷密度等措施达到抑制陷阱效应的目的,从而进一步抑制电流崩塌.     

表面电荷与体陷阱对GaN基HEMT器件热电子和量子效应的影响研究

研究了GaN基HEMT器件表面电荷和体陷阱的变化对输出特性的影响.通过分析表面电荷与体陷阱对电流坍塌效应、饱和电流和膝点电压的影响,初步确定了其变化关系.研究结果显示表面电荷的增加能够耗尽二维电子气,减弱电流坍塌效应,降低饱和电流,使膝点电压非正常后移.同时,体陷阱的减小可以有效减弱电流坍塌效应,增大饱和电流,且膝点电压基本保持不变.晶格温度较低时,热电子效应和量子隧穿效应对电流坍塌效应影响显著.采用流体动力学模型,分析了引起电流坍塌效应的内在物理机制,并获得了器件设计和制备的优化方案. 关键词： GaN-HEMT器件 电流坍塌效应 热电子效应 表面电荷     

表面电荷与体陷阱对GaN基HEMT器件热电子和量子效应的影响研究

研究了GaN基HEMT器件表面电荷和体陷阱的变化对输出特性的影响.通过分析表面电荷与体陷阱对电流坍塌效应、饱和电流和膝点电压的影响,初步确定了其变化关系.研究结果显示表面电荷的增加能够耗尽二维电子气,减弱电流坍塌效应,降低饱和电流,使膝点电压非正常后移.同时,体陷阱的减小可以有效减弱电流坍塌效应,增大饱和电流,且膝点电压基本保持不变.晶格温度较低时,热电子效应和量子隧穿效应对电流坍塌效应影响显著.采用流体动力学模型,分析了引起电流坍塌效应的内在物理机制,并获得了器件设计和制备的优化方案.     

F离子注入新型Al0．25Ga0．75N／GaNHEMT器件耐压分析

为了缓解AlGaN／GaNhighelectronmobilitytransistors（HEMT）器件n型GaN缓冲层高的泄漏电流,本文提出了具有氟离子注入新型Al0．25Ga0．75N／GaNHEMT器件新结构．首先分析得出n型GaN缓冲层没有受主型陷阱时,器件输出特性为欧姆特性,这样就从理论和仿真方面解释了文献生长GaN缓冲层掺杂Fe,Mg等离子的原因．利用器件输出特性分别分析了栅边缘有和没有低掺杂漏极时,氟离子分别注入源区、栅极区域和漏区的情况,得出当氟离子注入源区时,形成的受主型陷阱能有效俘获源极发射的电子而减小GaN缓冲层的泄漏电流,击穿电压达到262v通过减小GaN缓冲层体泄漏电流,提高器件击穿电压,设计具有一定输出功率新型A1GaN／GaNHEMT提供了科学依据．     

60Co γ射线辐射对AlGaN/GaN HEMT器件的影响

采用⁶⁰Co γ射线辐射源对非钝化保护的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件进行了1 Mrad(Si)的总剂量辐射,实验发现辐射累积剂量越大,器件尺寸越小,器件饱和漏电流和跨导下降越明显,同时辐射后器件栅泄漏电流明显增大,而阈值电压变化很小. 对辐射前后器件的沟道串联电阻和阈值电压变化的分析表明,辐射感生表面态负电荷的产生是造成AlGaN/GaN HEMT器件电特性退化的主要原因之一. 关键词： AlGaN/GaN HEMT器件 γ射线辐射 表面态     

具有p-GaN岛状埋层耐压结构的横向AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)相对较低的击穿电压严重限制了其大功率应用.为了进一步改善器件的击穿特性,通过在n-GaN外延缓冲层中引入六个等间距p-GaN岛掩埋缓冲层(PIBL)构成p-n结,提出一种基于p-GaN埋层结构的新型高耐压AlGaN/GaN HEMT器件结构.Sentaurus TCAD仿真结果表明,在关态高漏极电压状态下,p-GaN埋层引入的多个反向p-n结不仅能够有效调制PIBL AlGaN/GaN HEMT的表面电场和体电场分布,而且对于缓冲层泄漏电流有一定的抑制作用,这保证了栅漏间距为10μm的PIBL HEMT能够达到超过1700 V的高击穿电压(BV),是常规结构AlGaN/GaN HEMT击穿电压(580 V)的3倍.同时,PIBL结构AlGaN/GaN HEMT的特征导通电阻仅为1.47 m?·cm~2,因此获得了高达1966 MW·cm~(-2)的品质因数(FOM=BV~2/R_(on,sp)).相比于常规的AlGaN/GaN HEMT,基于新型p-GaN埋岛结构的HEMT器件在保持较低特征导通电阻的同时具有更高的击穿电压,这使得该结构在高功率电力电子器件领域具有很好的应用前景.     

基于感光栅极GaN高迁移率晶体管的新型探测器制备与优化（英文）

利用GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅控特性和锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜的光伏效应,在HEMT器件的栅极处沉积一层PZT铁电薄膜,提出了一种新型的(光敏感层/HEMT)探测结构.为制备出光伏性能优异的薄膜,对不同的溅射功率和退火温度制备的PZT铁电薄膜进行表面形貌和铁电性能分析.发现200 W溅射功率、700℃的退火温度制备的薄膜表面晶粒生长明显,剩余极化强度为38.0μC·cm-2.工艺制备GaN基HEMT器件并把PZT薄膜沉积到器件栅极上.在无光和365nm紫外光照射下对有、无铁电薄膜的HEMT探测器的输出特性进行测试.结果显示,在光照时,有铁电薄膜的HEMT器件相较于无光时,源-漏饱和电压最多降低3.55V,饱和电流最多增加5.84mA,表明新型感光栅极HEMT探测器对紫外光具有优异的探测效果.为实现对新型探测器的结构进行优化的目的,对栅长为1μm、2μm和3μm等不同栅长的探测器进行光照测试.结果表明,在紫外光照射下,三种探测器的漏极饱和电流分别为23mA、20mA和17mA,所以栅长越长器件的饱和电流越小,探测性能越差.     

阶梯AlGaN外延新型Al0.25Ga0.75N/GaNHEMTs器件实验研究

本文报道了作者提出的阶梯AlGaN外延层新型AlGaN/GaN HEMTs结构的实验结果. 实验利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀栅边缘的AlGaN外延层, 形成阶梯的AlGaN 外延层结构, 获得浓度分区的沟道2DEG, 使得阶梯AlGaN外延层边缘出现新的电场峰, 有效降低栅边缘的高峰电场, 从而优化了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布. 实验获得了阈值电压-1.5 V的新型AlGaN/GaN HEMTs器件. 经过测试, 同样面积的器件击穿电压从传统结构的67 V提高到新结构的106 V, 提高了58%左右; 脉冲测试下电流崩塌量也比传统结构减少了30%左右, 电流崩塌效应得到了一定的缓解.     

Impact of oxygen in electrical properties and hot-carrier stress-induced degradation of GaN high electron mobility transistors

The role of the oxygen in AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) before and after semi-on state stress was discussed. Comparing with the electrical characteristics of the devices in vacuum, air, and oxygen atmosphere, it is revealed that the oxygen has significant influence on the electric characteristics and the hot-carrier-stress-induced degradation of the device. Comparing with the situation in vacuum, the gate leakage increased an order of magnitude in oxygen and air atmosphere. Double gate structure was used to separate the barrier leakage and surface leakage of AlGaN/GaN HEMT it is found that surface leakage is the major influencing factor in gate leakage of SiN-passivated devices before and after semi-on state stress. During semi-on state stress in the oxygen atmosphere, the electric-field-driven oxidation process promoted the oxidation of the nitride layer, and the oxidation layer in the SiN/AlGaN interface leads to the decreasing of the surface leakage.     

基于原位等离子体氮化及低压化学气相沉积-Si_3N_4栅介质的高性能AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的研究

通过对低压化学气相沉积(LPCVD)系统进行改造,实现在沉积Si_3N_4薄膜前的原位等离子体氮化处理,氮等离子体可以有效地降低器件界面处的氧含量和悬挂键,从而获得了较低的LPCVD-Si_3N_4/GaN界面态,通过这种技术制作的MIS-HEMTs器件,在扫描栅压范围V_(G-sweep)=(-30 V,+24 V)时,阈值回滞为186 mV,据我们所知为目前高扫描栅压V_(G+)(20 V)下的最好结果.动态测试表明,在400 V关态应力下,器件的导通电阻仅仅上升1.36倍(关态到开态的时间间隔为100μs).     

具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析

为了优化传统Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面电场,提高击穿电压,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层的新型Al GaN/GaN HEMTs器件结构.新型结构通过在Al GaN势垒层顶部、栅电极到漏电极的漂移区之间引入部分本征GaN帽层,由于本征GaN帽层和Al GaN势垒层界面处的极化效应,降低了沟道二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使得沟道2DEG浓度分区,由均匀分布变为阶梯分布.通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,且有效降低了栅边缘的高峰电场,Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀.利用ISE-TCAD软件仿真分析得出:通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,Al GaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,使得新型Al GaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流减小了9.2%,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率提高了12%.     

阶梯AlGaN外延新型Al_(0.25)Ga_(0.75)N/GaNHEMTs击穿特性分析

为了优化AlGaN/GaN HEMTs器件表面电场,提高击穿电压,本文首次提出了一种新型阶梯AlGaN/GaN HEMTs结构.新结构利用AlGaN/GaN异质结形成的2DEG浓度随外延AlGaN层厚度降低而减小的规律,通过减薄靠近栅边缘外延的AlGaN层,使沟道2DEG浓度分区,形成栅边缘低浓度2DEG区,低的2DEG使阶梯AlGaN交界出现新的电场峰,新电场峰的出现有效降低了栅边缘的高峰电场,优化了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布,使器件击穿电压从传统结构的446 V,提高到新结构的640 V.为了获得与实际测试结果一致的击穿曲线,本文在GaN缓冲层中设定了一定浓度的受主型缺陷,通过仿真分析验证了国际上外延GaN缓冲层时掺入受主型离子的原因,并通过仿真分析获得了与实际测试结果一致的击穿曲线.     

基于拉曼热测量技术的铜基复合物法兰GaN基晶体管的热阻分析

采用拉曼热测量技术结合有限元热仿真模型,分析比较新型铜/石墨复合物法兰封装与传统铜钼法兰封装的GaN器件的结温与热阻,发现前者的整体热阻比铜钼法兰器件的整体热阻低18.7%,器件内部各层材料的温度分布显示铜/石墨复合物法兰在器件中的热阻占比相比铜钼法兰在器件中的热阻占比低13%,这证明使用高热导率铜/石墨复合物法兰封装提高GaN器件热扩散性能的有效性.通过对两种GaN器件热阻占比的测量与分析,发现除了封装法兰以外,热阻占比最高的是GaN外延与衬底材料之间的界面热阻,降低界面热阻是进一步提高器件热性能的关键.同时,详细阐述了使用拉曼光热技术测量GaN器件结温和热阻的原理和过程,展示了拉曼光热技术作为一种GaN器件热特性表征方法的有效性.     

Neutron irradiation effects on A1GaN//GaN high electron mobility transistors

AlGaN/GaN high electron mobility transistors(HEMTs) were exposed to 1 MeV neutron irradiation at a neutron fluence of 1 × 10 15 cm 2.The dc characteristics of the devices,such as the drain saturation current and the maximum transconductance,decreased after neutron irradiation.The gate leakage currents increased obviously after neutron irradiation.However,the rf characteristics,such as the cut-off frequency and the maximum frequency,were hardly affected by neutron irradiation.The AlGaN/GaN heterojunctions have been employed for the better understanding of the degradation mechanism.It is shown in the Hall measurements and capacitance-voltage tests that the mobility and concentration of two-dimensional electron gas(2DEG) decreased after neutron irradiation.There was no evidence of the full-width at half-maximum of X-ray diffraction(XRD) rocking curve changing after irradiation,so the dislocation was not influenced by neutron irradiation.It is concluded that the point defects induced in AlGaN and GaN by neutron irradiation are the dominant mechanisms responsible for performance degradations of AlGaN/GaN HEMT devices.     

晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN异质结电容散射机制

制备了晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN异质结圆形平面结构肖特基二极管,通过测试和拟合器件的电容-频率曲线,研究了电容的频率散射机制.结果表明:在频率高于200 kHz后,积累区电容随频率出现增加现象,而传统的电容模型无法解释该现象.通过考虑漏电流、界面态和串联电阻等影响对传统模型进行修正,修正后的电容频率散射模型与实验结果很好地符合,表明晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN异质结电容随频率散射是漏电流、界面态和串联电阻共同作用的结果.