氮化镓基感光栅极高电子迁移率晶体管器件设计与制备

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)作为栅控器件,具有AlGaN/GaN异质结处高浓度的二维电子气(2DEG)及对表面态敏感等特性,在栅位置处与感光功能薄膜的结合是光探测器领域重要的研究方向之一.本文首先提出在GaN基HEMT栅电极上引入光敏材料锆钛酸铅(PZT),将具有光伏效应的铁电薄膜PZT与HEMT栅极结合,提出一种新的"金属/铁电薄膜/金属/半导体(M/F/M/S)"结构;然后在以蓝宝石为衬底的AlGaN/GaN外延片上制备感光栅极HEMT器件.最后,通过PZT的光伏效应来调控沟道中的载流子浓度和通过源漏电流的变化来实现对可见光和紫外光的探测.在365 nm紫外光和普通可见光条件下,对比测试有/无感光栅极的HEMT器件,在较小V_(gs)电压时,可见光下测得前者较后者的饱和漏源电流I_(ds)的增幅不下降,紫外光下前者较后者的I_(ds)增幅大5.2 mA,由此可知,感光栅PZT在可见光及紫外光下可作用于栅极GaN基HEMT器件并可调控沟道电流.     

感光栅极GaN基HEMT器件的制备与栅极优化

铁电材料作为感光功能薄膜的红外器件研究近年来十分活跃,其良好的压电、铁电、热释电、光电及非线性光学特性以及能够与半导体工艺相集成等特点,在微电子和光电子技术领域有着广阔的应用前景。实验将铁电材料锆钛酸铅作为感光层与GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)相结合,成功地制备出了感光栅极GaN基HEMT器件,并在波长为365 nm的光照下进行探测,经大量实验测试后发现器件在该波段的光照下饱和电流达到28 mA,相比无光照时饱和电流提高12 mA。另外,通过合理改变器件结构尺寸,包括器件栅长以及栅漏间距,发现随着栅长的增大,器件的饱和输出电流依次减小,而栅漏间距的变化对阈值电压以及饱和电流的影响并不大。由此可知,改变器件结构参数可以达到提高器件性能的目的并且可以提高探测效率。     

Al2O3绝缘层的AlGaN/GaN MOSHEMT器件研究

在研制AlGaN/GaN HEMT器件的基础上,采用ALD法制备了Al2O3 AlGaN/GaN MOSHEMT器件.通过X射线光电子能谱测试表明在AlGaN/GaN异质结材料上成功淀积了Al2O3薄膜.根据对HEMT和MOSHEMT器件肖特基电容、器件输出以及转移特性的测试进行分析发现:所制备的Al2O3,薄膜与AlGaN外延层间界面态密度较小,因而MOSHEMT器件呈现出较好的栅控性能;其次,该器件的栅压可以加至 3 V,此时的最大饱和电流达到800 mA/mm,远远高于肖特基栅HEMT器件的最大输出电流;而且栅漏反偏状态下的泄漏电流却减小了两个数量级,提高了器件的击穿电压,通过进一步分析认为泄漏电流主要来源于Fowler-Nordheim隧穿.     

具有高开启/关断电流比的Al_2O_3/AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（英文）

采用原子层淀积(ALD)方法,制备了Al_2O_3为栅介质的高性能AlG aN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管(MOS-HEMT)。在栅压为-20 V时,MOS-HEMT的栅漏电比Schottky-gate HEMT的栅漏电低4个数量级以上。在栅压为+2 V时,Schottky-gate HEMT的栅漏电为191μA;在栅压为+20 V时,MOS-HEMT的栅漏电仅为23.6 nA,比同样尺寸的Schottky-gate HEMT的栅漏电低将近7个数量级。AlG aN/GaN MOSHEMT的栅压摆幅达到了±20 V。在栅压Vgs=0 V时,MOS-HEMT的饱和电流密度达到了646 mA/mm,相比Schottky-gate HEMT的饱和电流密度(277 mA/mm)提高了133%。栅漏间距为10μm的AlG aN/GaN MOSHEMT器件在栅压为+3 V时的最大饱和输出电流达到680 mA/mm,特征导通电阻为1.47 mΩ·cm2。Schottky-gate HEMT的开启与关断电流比仅为105,MOS-HEMT的开启与关断电流比超过了109,超出了Schottkygate HEMT器件4个数量级,原因是栅漏电的降低提高了MOS-HEMT的开启与关断电流比。在Vgs=-14 V时,栅漏间距为10μm的AlG aN/GaN MOS-HEMT的关断击穿电压为640 V,关断泄露电流为27μA/mm。     

AlGaN/GaN槽栅HEMT模拟与实验研究

分析了栅槽深度对AlGaN/GaN HEMT特性的影响,并对不同栅槽深度的器件特性进行了模拟,得到了器件饱和电流、最大跨导和阈值电压随栅槽深度的变化规律.当槽栅深度增大,器件饱和电流逐渐下降,而最大跨导逐渐增大,阈值电压向X轴正方向移动.研制出不同栅槽深度的蓝宝石衬底AlGaN/GaN HEMT,用实验数据验证了得到的不同栅槽深度器件特性变化规律.从刻蚀损伤和刻蚀引入界面态的角度分析了模拟与实验规律产生差别的原因. 关键词： 高电子迁移率晶体管 AlGaN/GaN 槽栅器件     

具有高开启/关断电流比的Al2O3/AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管

采用原子层淀积(ALD)方法,制备了Al₂O₃为栅介质的高性能AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管(MOS-HEMT)。在栅压为-20 V时,MOS-HEMT的栅漏电比Schottky-gate HEMT的栅漏电低4个数量级以上。在栅压为+2 V时,Schottky-gate HEMT的栅漏电为191μA;在栅压为+20 V时,MOS-HEMT的栅漏电仅为23.6 nA,比同样尺寸的Schottky-gate HEMT的栅漏电低将近7个数量级。AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅压摆幅达到了±20 V。在栅压V_gs=0 V时, MOS-HEMT的饱和电流密度达到了646 mA/mm,相比Schottky-gate HEMT的饱和电流密度(277 mA/mm)提高了133%。栅漏间距为10μm的AlGaN/GaN MOS-HEMT器件在栅压为+3 V时的最大饱和输出电流达到680 mA/mm,特征导通电阻为1.47 mΩ·cm²。Schottky-gate HEMT的开启与关断电流比仅为10⁵,MOS-HEMT的开启与关断电流比超过了10⁹,超出了Schottky-gate HEMT器件4个数量级,原因是栅漏电的降低提高了MOS-HEMT的开启与关断电流比。在V_gs=-14 V时,栅漏间距为10μm的AlGaN/GaN MOS-HEMT的关断击穿电压为640 V,关断泄露电流为27μA/mm。     

增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管高温退火研究

深入研究了两种增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)高温退火前后的直流特性变化.槽栅增强型AlGaN/GaN HEMT在500 ℃ N₂中退火5 min后,阈值电压由0.12 V正向移动到0.57 V,器件Schottky反向栅漏电流减小一个数量级.F注入增强型AlGaN/GaN HEMT在 400 ℃ N₂中退火2 min后,器件阈值电压由0.23 V负向移动到-0.69 V,栅泄漏电流明显增大.槽栅增强型器件退火过程中Schottky有效势垒     

具有高阈值电压和大栅压摆幅的常关型槽栅AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（英文）

介绍了一种具有高阈值电压和大栅压摆幅的常关型槽栅AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管。采用原子层淀积(ALD)方法实现Al_2O_3栅介质的沉积。槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅长(Lg)为2μm,栅宽(Wg)为0.9 mm(0.45 mm×2),栅极和源极(Lgs)之间的距离为5μm,栅极和漏极(Lgd)之间的距离为10μm。在栅压为-20 V时,槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅漏电仅为0.65 nA。在栅压为+12 V时,槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅漏电为225 nA。器件的栅压摆幅为-20~+12V。在栅压V_(gs)=+10 V时,槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT电流和饱和电流密度分别达到了98 mA和108 mA/mm(Wg=0.9 mm),特征导通电阻为4 mΩ·cm2。槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的阈值电压为+4.6 V,开启与关断电流比达到了5×108。当V_(ds)=7 V时,器件的峰值跨导为42 mS/mm(Wg=0.9 mm,V_(gs)=+10 V)。在V_(gs)=0 V时,栅漏间距为10μm的槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的关断击穿电压为450 V,关断泄露电流为0.025 mA/mm。     

电极间距对ZnO基MSM紫外光电探测器性能的影响

利用金属有机物化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备了ZnO薄膜。利用Au电极,在ZnO薄膜上制备电极间距不同的金属-半导体-金属结构紫外光电探测器。发现随着电极间距从150μm降至5μm,探测器响应度呈现出从15 mA/W到75 mA/W的明显提高。同时,随着电极间距的减小,器件的I-V曲线线形发生了显著改变。这被归结为电极间距变化改变了器件耗尽区宽度和电极间电阻造成的结果。     

GaN HEMT欧姆接触模式对电学特性的影响

本文制备了AlGaN/GaN HEMT器件中常规结构与带有纵向接触孔结构的两种接触电极,研究了该两种源欧姆接触模式对器件电学特性的影响.在相同条件下进行快速退火,发现在750?C下退火30 s后,常规结构还没有形成欧姆接触,而带有纵向欧姆接触孔的接触电极与外延片已经形成了良好的欧姆接触.同时,比较了Ti/Al/Ti/Au和Ti/Al/Ni/Au电极退火后表面形态,Ti/Al/Ni/Au具有更好的表面形貌.通过测试两种结构的HEMT器件后,发现采用纵向欧姆接触孔结构器件具有更高的跨导和饱和电流,但是也会在栅极电压为0.5—2 V之间产生严重的电流崩塌现象.     

AlGaN/GaN双异质结F注入增强型高电子迁移率晶体管

理论模拟了不同GaN沟道厚度的双异质结(AlGaN/GaN/AlGaN/GaN)材料对高电子迁移率晶体管(HEMT)特性的影响,并模拟了不同F注入剂量下用该材料制作的增强型器件的特性差异.采用双异质结材料,结合F注入工艺成功地研制出了较高正向阈值电压的增强型HEMT器件.实验研究了三种GaN沟道厚度制作的增强型器件直流特性的差异,与模拟结果进行了对比验证.采用降低的F注入等离子体功率,减小了等离子体处理工艺对器件沟道迁移率的损伤,研制出的器件未经高温退火即实现了较高的跨导和饱和电流特性.对14 nm GaN沟道厚度的器件进行了阈值电压温度稳定性和栅泄漏电流的比较研究,并且分析了双异质结器件的漏致势垒降低效应.     

高线性度Al_xGa_(1-x)N/Al_yGa_(1-y)N/GaN高电子迁移率晶体管优化设计

对新型复合沟道AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)进行了优化设计.从半导体能带理论与量子阱理论出发,自洽求解了器件层结构参数对器件导带能级以及二维电子气(2DEG)中载流子浓度和横向电场的影响.用TCAD软件仿真得到了器件的层结构参数对器件性能的影响.结合理论分析和仿真结果确定了器件的最佳外延层结构Al0.31Ga0.69N/Al0.04Ga0.96N/GaNHEMT.对栅长1μm,栅宽100μm的器件仿真表明,器件的最大跨导为300mS/mm,且在栅极电压-2—1V的宽范围内跨导变化很小,表明器件具有较好的线性度;器件的最大电流密度为1300mA/mm,特征频率为11.5GHz,最大振荡频率为32.5GHz.     

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。     

PLD法制备PZT-YBCO结构的铁电薄膜的研究

本文利用脉冲准分子激光在LaAlO3单晶基片上淀积了YBCO和Zr/Ti为94/6的PZT铁电薄膜,并通过高频溅射将Pt蒸镀在PZT薄膜上作为上电极;用X射线衍射表征了该多层膜的晶相结构,测量了PZT的铁电性能和介电特性,讨论了PZT/YBCO薄膜的制备工艺,以及工艺条件对晶相结构和薄膜性能的影响.     

柔性Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47))O_3薄膜的高温铁电特性

随着柔性电子产品的迅速发展,具有优异铁电和压电性的Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47))O_3 (PZT)薄膜在柔性的非易失性存储器、传感器和制动器等器件中有广泛的应用前景.同时,由于外部环境越来越复杂,具有高温稳定特性的材料和器件受到越来越多的关注.本文在耐高温的二维层状氟晶云母衬底上,用脉冲激光沉积技术制备出外延的PZT薄膜,并通过机械剥离的方法,得到柔性的外延PZT薄膜.研究了Pt/PZT/SRO异质结的铁电和压电性及其高温特性,发现样品表现出优越的铁电性,剩余极化强度(P_r)高达65μC/cm~2,在弯曲104次后其铁电性基本保持不变,且样品在275℃高温时仍然保持良好的铁电性.本文为柔性PZT薄膜在航空航天器件中的应用提供了实验基础.     

具有高阈值电压和大栅压摆幅的常关型槽栅AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管

介绍了一种具有高阈值电压和大栅压摆幅的常关型槽栅AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管。采用原子层淀积(ALD)方法实现Al₂O₃栅介质的沉积。槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅长(L_g)为2 μm,栅宽(W_g)为0.9 mm(0.45 mm×2),栅极和源极(L_gs)之间的距离为5 μm,栅极和漏极(L_gd)之间的距离为10 μm。在栅压为－20 V时,槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅漏电仅为0.65 nA。在栅压为+12 V时,槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅漏电为225 nA。器件的栅压摆幅为－20~+12 V。在栅压V_gs=+10 V时,槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT电流和饱和电流密度分别达到了98 mA和108 mA/mm (W_g=0.9 mm), 特征导通电阻为4 mΩ·cm²。槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的阈值电压为+4.6 V,开启与关断电流比达到了5×10⁸。当V_ds=7 V时,器件的峰值跨导为42 mS/mm (W_g=0.9 mm,V_gs=+10 V)。在V_gs=0 V时,栅漏间距为10 μm的槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的关断击穿电压为450 V,关断泄露电流为0.025 mA/mm。     

Ag/Bi4Ti3O12栅n沟道铁电场效应晶体管制备及存储特性

在溶胶-凝胶工艺获得高质量Bi4Ti3O12薄膜的基础上,制备了Ag/Bi4Ti3O12栅n沟道铁电场效应晶体管. 研究了Si基Bi4Ti3O12薄膜的生长特性及其对铁电薄膜/硅的界面状态和铁电场效应晶体管存储特性的影响. 研究表明,在合理的工艺条件下可以获得具有较高c-轴择优取向的纯钙钛矿相Si基Bi4Ti3O12铁电薄膜并有利于改善Bi4Ti3O12/Si之间的界面特性; 顺时针回滞的C-V特性曲线和C-T曲线表明Ag/Bi4Ti3O12栅n沟道铁电场效应晶体管具有极化存储效应和一定的极化电荷保持能力; 器件的转移(Isd-VG)特性曲线显示Ag/Bi4Ti3O12栅n沟道铁电场效应晶体管具有明显的栅极化调制效应.     

Pb(Zr0.53Ti0.47)O3/AlxGa1-xN/GaN异质结构的电容-电压特征

通过在调制掺杂Al0.22Ga0.78N/GaN异质结构上淀积Pb(Zr0.53Ti0.47)O3(PZT)铁电薄膜,我们发展了一种基于AlxGa1-xN/GaN异质结构的金属-铁电-半导体(MFS)结构.在高频电容-电压(C-V)特性测量中,发现Al0.22Ga0.78N/GaN异质界面二维电子气(2DEG)的浓度在-10V偏压下从1.56×1013cm-2下降为5.6×1012cm-2.由于PZT薄膜的铁电极化,在-10V偏压下可以观察到宽度为0.2V的铁电C-V窗口,表明在没有铁电极化方向反转的条件下,PZT/AlxGa1-xN/GaN MFS结构也能出现存储特性.因为2DEG带来的各种优点,可以认为AlxGa1-xN/GaN异质结构在以存储器为目标的MFS场效应晶体管中有重要应用.     

Au/PZT/BIT/p-Si异质结的制备与性能研究

采用脉冲激光沉积(PLD)工艺,制备了以Bi₄Ti₃O₁₂(BIT)为过渡阻挡层的Au/PZT/BIT/p-Si异质结.研究了BIT铁电层对Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃(PZT)薄膜晶相结构、铁电及介电性能的影响,对Au/PZT/BIT/p-Si异质结的导电机制进行了讨论.氧气氛530℃淀积的PZT为多晶铁电薄膜,与直接淀积在Si基片上相比,加入BIT铁电层后PZT铁 关键词： 铁电薄膜 异质结构 脉冲激光沉积(PLD)     

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