AlGaN/GaN 高速电子迁移率晶体管器件电流坍塌效应与界面热阻和温度的研究

本文系统研究了AlGaN/GaN基高速电子迁移率晶体管器件界面热阻和工作温度对器件在高功率下的电流坍塌效应的影响规律.研究发现低漏极电压下热电子是导致负微分输出电导的重要因素,器件工作温度变高会使负微分输出电导减小.高漏极电压下自加热效应是导致电流坍塌的一个重要因素.随着界面热阻的增加,器件跨导降低,阈值电压增大.同时,由于工作环境温度的增高,器件随之温度增高,载流子迁移率会显著降低. 最终这两种因素会引起AlGaN/GaN基高速电子迁移率晶体管器件显著的电流坍塌效应,从而降低了器件整体性能. 关键词： AlGaN/GaN HEMT 器件 热电子效应 自加热效应 电流坍塌效应     

AIGaN／GaN高速电子迁移率晶体管器件电流坍塌效应与界面热阻和温度的研究

本文系统研究了A1GaN／GaN基高速电子迁移率晶体管器件界面热阻和工作温度对器件在高功率下的电流坍塌效应的影响规律．研究发现低漏极电压下热电子是导致负微分输出电导的重要因素,器件工作温度变高会使负微分输出电导减小．高漏极电压下自加热效应是导致电流坍塌的一个重要因素．随着界面热阻的增加,器件跨导降低,阂值电压增大．同时,由于工作环境温度的增高,器件随之温度增高,载流子迁移率会显著降低．最终这两种因素会引起A1GaN／GaN基高速电子迁移率晶体管器件显著的电流坍塌效应,从而降低了器件整体性能．     

基于凹槽结构抑制AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应

基于双脉冲技术,研究了GaN缓冲层陷阱对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应的影响.结果表明,栅边缘漏侧的电场峰值使得沟道电子跃迁至缓冲层,并被缓冲层中的陷阱俘获是造成电流崩塌的主要原因之一.提出了势垒层局部凹槽结构,降低了栅边缘漏侧的电场峰值,使电场分布更加均匀,改善了器件的电流崩塌效应.与传统AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构相比,新器件结构对电流崩塌效应的抑制作用至少提升了22.30%.     

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.     

用逆压电极化模型对AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管电流崩塌现象的研究

通过自洽求解一维Poisson-Schrdinger方程,模拟了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在工作时等效外电场对AlGaN/GaN异质结沟道处二维电子气(2DEG)浓度的影响.分析了逆压电极化效应的作用,从正-逆压电极化现象出发,提出了逆压电极化模型.计算结果显示：逆压电极化明显影响2DEG性质,当Al组分x=0.3,AlGaN层厚度为20 nm时,不考虑逆压电极化,2DEG浓度为1.53×10¹³cm^-2;当等效外电压分别为10和15V 关键词： AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 Poisson-Schrdinger方程 逆压电极化模型 电流崩塌     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管肖特基高温退火机理研究

在不同应力条件下,研究了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管高温退火前后的电流崩塌、栅泄漏电流以及击穿电压的变化.结果表明,AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管通过肖特基高温退火以后,器件的特性得到很大的改善.利用电镜扫描(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)对高温退火前、后的肖特基接触界面进行深入分析,发现器件经过高温退火后,Ni和AlGaN层之间介质的去除,并且AlGaN材料表面附近的陷阱减少,使得肖特基有效势垒提高,从而提高器件的电学特性. 关键词： AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 肖特基接触 界面陷阱     

结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响

基于漂移-扩散传输模型、费米狄拉克统计模型以及Shockley-Read-Hall复合模型等,通过自洽求解薛定谔方程、泊松方程以及载流子连续性方程,模拟研究了材料结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响及其物理机制.结果表明,增加GaN沟道层的厚度(5—15 nm)与InAlN背势垒层的厚度(10—40 nm),均使得器件的饱和输出电流增大,阈值电压发生负向漂移.器件的跨导峰值随Ga N沟道层厚度的增加与InAlN背势垒层厚度的减小而减小.模拟中,各种性能参数的变化趋势均随GaN沟道层与InAlN背势垒层厚度的增加而逐渐变缓,当GaN沟道层厚度超过15 nm、InAlN背势垒层厚度超过40 nm后,器件的饱和输出电流、阈值电压等参数基本趋于稳定.材料结构参数对器件性能影响的主要原因可归于器件内部极化效应、能带结构以及沟道中二维电子气的变化.     

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.     

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%.     

GaN高电子迁移率晶体管强电磁脉冲损伤效应与机理

提出了一种新型GaN异质结高电子迁移率晶体管在强电磁脉冲下的二维电热模型,模型引入材料固有的极化效应,高场下电子迁移率退化、载流子雪崩产生效应以及器件自热效应,分析了栅极注入强电磁脉冲情况下器件内部的瞬态响应,对其损伤机理和损伤阈值变化规律进行了研究.结果表明,器件内部温升速率呈现出"快速-缓慢-急剧"的趋势.当器件局部温度足够高时(2000 K),该位置热电子发射与温度升高形成正反馈,导致温度急剧升高直至烧毁.栅极靠近源端的柱面处是由于热积累最易发生熔融烧毁的部位,严重影响器件的特性和可靠性.随着脉宽的增加,损伤功率阈值迅速减小而损伤能量阈值逐渐增大.通过数据拟合得到脉宽τ与损伤功率阈值P和损伤能量阈值E的关系.     

Optical characterization of InGaN/AlGaN/GaN diode grown on silicon carbide

Electroluminescence (EL) properties of In_xGa_1−xN/Al_yGa_1−yN/GaN/SiC diode were studied. The spectral range for which EL spectra were recorded is 1–3.5 eV. Room temperature EL was obtained for forward bias (3.18 V, 220 μA) at 446.067 nm (blue luminescence band), 606.98 nm (yellow luminescence band) and 893.84 nm (Infrared luminescence band). The EL temperature dependence shows that, BL band is mostly given by e–h recombination corresponding to indium composition equal to 0.17 ± 0.01 and 0.14 ± 0.02 obtained theoretically and experimentally, respectively. The yellow band is generally weak and absent at low temperature. The IRL band is more consistent with the DAP recombination and could be explained by the thermal activation of Mg states. The luminescence bands shift to lower energies is due probably to the larger potential fluctuations effect.     

Mg掺杂的AlxGa1-xN/GaN超晶格紫外峰的性质

观测了不同Mg含量的Al_xGa_1-xN/GaN超晶格(SLs)样品在不同退火温度和激发强度下的光致发光(PL)光谱。结合霍尔测量,分析了其紫外发射(UVL)峰的起源及相关影响因素。实验发现:同一样品在N₂气氛中高温退火,UVL峰强随退火温度的升高,先增至饱和继而急剧下降,峰位红移;而在相同退火条件下,随着掺杂Mg的流量增加,样品空穴浓度下降,峰强减弱,峰位红移。结果表明:UVL峰是来自于易热分解的浅施主(V_NH)与浅受主(Mg_Ga)之间的跃迁,并受到深施主(Mg_GaV_N)与浅受主(Mg_Ga)自补偿效应的影响。实验上随着PL光谱激发强度的增强,UVL峰位约有260 meV的蓝移,结合超晶格极化场下的能带模型分析,认为这是极化效应导致的锯齿状能带中,V_NH与Mg_Ga之间跃迁方式的改变引起的现象。     

外加电场和Al组分对纤锌矿AlGaN/GaN量子阱中的电子g因子的影响

研究了外加电场和垒层的Al组分对AlGaN/GaN量子阱中的横向和纵向g因子(g⊥和g//)及其各向异性(δg)的影响.纤锌矿体结构的贡献(S_//~(bulk)和g⊥)是构成g⊥=(g//-g_0)=g_//~(bulk)的主要部分,但g_//~(bulk)和g⊥的差值很小且几乎不随外加电场和Al组分改变.当外加电场的方向同极化电场的方向相同(相反)且增加时,g_//~(bulk)和g_⊥~(bulk)的强度同时增加(减小).当外加电场从-1.5×10~8 V·m~(-1)到1.5×10~8 V·m~(-1)变化时,异质结界面对g⊥的贡献(Γ_(Inter))大于0且强度缓慢增加,阱层对g⊥的贡献(Γ_W)小于0且强度也缓慢增加.然而Γ_(Inter)的强度比Γ_w大,且后者的强度随着外加电场的改变增加较快,所以δg0且强度随着外加电场的变化而减小.当垒层的Al组分增加时,如果不考虑应变效应(S_(1,2)=0),g_//~(bulk)和g⊥的强度同时减小,然而考虑应变效应后(S_(1,2)≠0),β_1g⊥和γ1(g_//~(bulk))的强度随着Al组分的增加而增加.随着垒层Al组分的增加,Γ_(Inter)和Γ_w的强度都增加,但Γ_(Inter)的强度较大且增加得较快,所以的的强度缓慢增加.g⊥的强度先随着Al组分的增加而减小,然后又随着Al组分的增加而增加,因为g⊥小于0且强度随着Al组分增加得很快.结果表明,AlGaN/GaN量子阱结构中的电子g因子及其各向异性可以被外加电场、垒层的Al组分、应变效应和量子限制效应共同调制.     

p型GaN/Al0.35Ga0.65N/GaN应变量子阱中二维空穴气的研究

对Ga面p型GaN/Al_0.35Ga_0.65N/GaN应变异质结构中形成的二维空穴气(2DHG)进行了研究.首先基于半导体-绝缘体-半导体异质结构模型确定了应变异质中的临界厚度，然后自洽求解薛定谔方程和泊松方程，计算了当中间势垒层AlGaN处于完全应变状态和半应变状态两种条件下，顶层GaN及中间层AlGaN厚度的变化对2DHG分布的影响.计算结果表明，势垒层AlGaN和顶层GaN的应变状态和厚度对极化引起的2DHG面密度及分布有重要影响.在此基础上制备了p型GaN/Al_0.35Ga_0.65N/GaN应变量子阱结构肖特基器件，并通过器件的C-V测试证实了异质结处2DHG的存在.器件响应光谱的测试结果表明，由于p型GaN/Al_0.35Ga_0.65N/GaN量子阱中强烈的极化作用和Stark效应使得器件零偏压和反向偏压时的响应光谱都向短波方向移动了10 nm，在零偏压下器件在280 nm处的峰值响应为0.022 A/W，在反向偏压为1 V时，峰值响应达到0.19 A/W，已经接近理论值. 关键词： AlGaN 二维空穴气 极化效应     

Quantum confined Stark effect in single self-assembled GaN/AlN quantum dots

We have experimentally and theoretically investigated quantum confined Stark effect in hexagonal self-assembled GaN/AlN quantum dots. We have observed a blueshift of up to 100 meV for vertical electric field applied against the built-in electric field while we have observed a redshift for the electric field along the built-in field. The experimental result is compared with a charge self-consistent effective mass calculation, taking into account strain, piezoelectric charge, and pyroelectric charge. The tunability of the emission energy and the exciton binding energy is discussed.     

Vertical electron transport study in GaN/AlN/GaN heterostructures

In this work, we investigate the electronic structure and vertical electron transport through GaN/AlN/GaN single-barrier structures with different AlN thickness, grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Conductive and capacitive characterization has been performed, and the experimental results are interpreted by comparison with 1D self-consistent simulations. Capacitive measurements reveal a complete depletion of the top GaN layer, and the formation of a two-dimensional electron gas at the bottom interface of the AlN barrier, even for barrier thicknesses of 0.5 nm (2 monolayers of AlN). Conductive atomic force microscopy reveals discrete leakage current locations with a density of 10⁷ cm⁻², more than one order of magnitude lower than the dislocation density in these samples. These results are promising for the fabrication of resonant tunnelling diodes using the GaN/AlN material system.     

An improved EEHEMT model for kink effect on AlGaN/GaN HEMT

In this paper, a new current expression based on both the direct currect(DC) characteristics of the AlGaN/GaN high election mobility transistor(HEMT) and the hyperbolic tangent function tanh is proposed, by which we can describe the kink effect of the AlGaN/GaN HEMT well. Then, an improved EEHEMT model including the proposed current expression is presented. The simulated and measured results of I–V, S-parameter, and radio frequency(RF) large-signal characteristics are compared for a self-developed on-wafer AlGaN/GaN HEMT with ten gate fingers each being 0.4-μm long and 125-μm wide(Such an AlGaN/GaN HEMT is denoted as AlGaN/GaN HEMT(10 × 125 μm)). The improved large signal model simulates the I–V characteristic much more accurately than the original one, and its transconductance and RF characteristics are also in excellent agreement with the measured data.