GaN基异质结构效应晶体管功率器件

文章从晶体结构和微电子学理论出发,介绍了GaN基异质结构效应晶体管（HFET）的极化效应,二维电子气（2DEG）的源、产生,极化对2DEG的影响以及提高2DEG浓度的方法;列举了三种典型的电流崩塌效应,介绍了其成因和抑制的方法,并对各种方法进行了比较;阐述了栅极场调控电极对GaN基器件电参数的影响,解释了提高器件击穿电压的原理,并对场调控电极对器件功率特性的影响进行了说明,从而指出利用场调控电极的GaN基HFET将会在微波高功率方面有很大的发展前途.     

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%.     

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.     

大功率GaN基发光二极管的电流扩展效应及电极结构优化研究

定性分析了GaN基LED的电流扩展效应，发现电流密度和电流横向扩展的有效长度对电流均匀扩展有很大影响.基于此，对GaN基大功率LED提出了优化的电极结构，以减缓电流拥挤效应，降低器件串联电阻.通过用红外热像仪测量器件表面的温度分布，发现具有优化的环形插指电极结构的GaN基大功率LED表面温度分布比较均匀，证明芯片接触处电流扩展均匀，局部电流密度降低，减小了焦耳热的产生，增强了器件的可靠性.     

GaN基半导体新热点:从半导体照明到功率电子器件

Ⅲ族氮化物(又称GaN基)宽禁带半导体属于新兴的第三代半导体体系,在短波长光电子器件和功率电子器件领域具有重大应用价值。过去10多年,以蓝光和白光LED为核心的半导体照明技术和产业飞速发展,形成了对国家经济和人民生活产生显著影响的高技术产业。近年来GaN基功率电子器件受到了学术界和产业界的高度重视,形成了新的研发和产业化热点。首先介绍了半导体照明技术和产业的发展历程和现状,分析了当前GaN基LED芯片技术面临的关键科学和技术问题;然后重点介绍了GaN基微波功率器件和电力电子器件的发展历程和动态,包括微波功率器件已经取得的突破性进展和产业化现状,电力电子器件相对Si和SiC同类器件的优势和劣势,并对GaN基功率电子器件当前面临的关键科学和技术挑战进行了较详细的分析。     

大功率GaN基发光二极管的电流扩展效应及电极结构优化研究

定性分析了GaN基LED的电流扩展效应,发现电流密度和电流横向扩展的有效长度对电流均匀扩展有很大影响.基于此,对GaN基大功率LED提出了优化的电极结构,以减缓电流拥挤效应,降低器件串联电阻.通过用红外热像仪测量器件表面的温度分布,发现具有优化的环形插指电极结构的GaN基大功率LED表面温度分布比较均匀,证明芯片接触处电流扩展均匀,局部电流密度降低,减小了焦耳热的产生,增强了器件的可靠性. 关键词： 氮化镓 发光二极管 电流扩展 电极结构优化     

空间用GaN功率器件单粒子烧毁效应激光定量模拟技术研究

利用飞秒脉冲激光对氮化镓(GaN)功率器件进行单粒子烧毁效应定量评估技术研究,针对器件结构建立脉冲激光有效能量传输模型,理论计算了激光有效能量与重离子线性能量传输(LET)的等效关系并开展了试验验证.考虑器件材料反射率与吸收系数对激光的影响,针对介质层界面间的激光多次反射进行参数修正,减小有源区有效能量计算误差.选择一款氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)与一款肖特基势垒二极管(SBD)功率器件作为典型案例,分别开展飞秒脉冲激光正面与背部辐照试验,计算诱发单粒子烧毁的有效能量,并得到不同入射激光波长的烧毁等效LET阈值,对比了模型理论计算值与实际测量值.同时,研究结果对材料参数未知的GaN功率器件,提供了正面与背部辐照模型的激光试验波长选择参考.该工作将为激光定量评估空间用GaN等宽禁带半导体器件的单粒子烧毁效应机理研究及加固设计与验证提供技术支撑.     

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．     

GaN基多量子阱蓝光LED的γ辐照效应

本文用4×104Ci(1Ci=3.7×1010Bq)的60Co源(剂量率2×105rad(Si)/h)对GaN基InGaN/GaN多量子阱蓝光LED进行5种剂量的γ射线的辐照实验.通过辐照前后蓝光LED的波长、色纯度、最大半峰宽(FWHM)和电流-电压(I-V)、电流-光通量(I-F)等电光学特性分析,得到γ射线对GaN基LED器件的辐照效应.结果发现,辐照后LED器件的发光一致性和均匀性变差,在20mA工作电流下,最大剂量下器件发光强度衰减近90%,光通量衰减约40%,并得到器件的抗辐照能力的参数τ0Kγ为4.039×10-7rad.s-1,发现较低的正向偏压下(小于2.6V)器件的饱和电流随辐照总剂量增大而增大.     

新型双异质结高电子迁移率晶体管的电流崩塌效应研究

针对传统单结GaN基高电子迁移率晶体管器件性能受电流崩塌效应和自加热效应限制的困境,对新型A1GaN/GaN/InGaN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管的直流性质展开了系统研究.采用基于热电子效应和自加热效应的流体动力模型,研究了器件在不同偏压下电流崩塌和负微分电导效应与GaN沟道层厚度的相关.研究发现具有高势垒双异质的沟道层能更好地将电子限制在沟道中,显著减小高电场下热电子从沟道层向GaN缓冲层的穿透能力.提高GaN沟道层厚度可以有效抑制电流崩塌和和负微分输出电导,进而提高器件在高场作用下的性能.所得结果为进一步优化双异质结高电子迁移率晶体管结构提供了新思路,可促进新型GaN高电子迁移率晶体管器件在高功率、高频和高温等无线通讯领域内的广泛应用.     

Self-screening of the polarized electric field in wurtzite gallium nitride along [0001] direction

The strong polarization effect of GaN-based materials is widely used in high-performance devices such as white-light-emitting diodes (white LEDs), high electron mobility transistors (HEMTs), and GaN polarization superjunctions. However, the current researches on the polarization mechanism of GaN-based materials are not sufficient. In this paper, we studied the influence of polarization on electric field and energy band characteristics of Ga-face GaN bulk materials by using a combination of theoretical analysis and semiconductor technology computer-aided design (TCAD) simulation. The self-screening effect in Ga-face bulk GaN under ideal and non-ideal conditions is studied respectively. We believe that the formation of high-density two-dimensional electron gas (2DEG) in GaN is the accumulation of screening charges. We also clarify the source and accumulation of the screening charges caused by the GaN self-screening effect in this paper and aim to guide the design and optimization of high-performance GaN-based devices.     

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.     

基于Rydberg原子的超宽频带射频传感器

Rydberg原子具有极大的极化率和微波跃迁偶极矩,对外界电磁场非常敏感,可实现基于Rydberg原子的超宽频带射频电场的高分辨高灵敏测量.通过Rydberg原子的全光学无损的电磁感应透明探测手段,可以实现基于原子的快速免校准宽频带(0.01-1000 GHz)外电场的精密测量.对于频率大于1 GHz的微波场,由微波场耦合相邻Rydberg能级形成的Autler-Townes分裂进行测量;而对于频率小于1 GHz的长波射频场,由Rydberg能级的射频边带能级进行测量.这种方法是基于原子能级参数,可溯源到基本物理常量,不依赖于外界参考;且对电场无干扰,易于实现微型化和集成化,具有广泛的应用前景.本文主要综述了基于Rydberg原子的外电场测量的最新研究进展,重点介绍长波长射频场的测量,包括电场强度、频率以及极化方向的测量,详细介绍了其测量原理和探测灵敏度,并讨论了其应用前景及未来发展方向.     

GaN基多量子阱发光二极管的极化效应和载流子不均匀分布及其影响

制备了GaN基绿光发光二极管.利用耦合法求解了在自发极化和压电极化效应影响下的GaN/InGaN量子阱的极化电场强度.考虑载流子在量子阱间的不均匀分布，模拟计算了系统的一维薛定谔方程、稳态速率方程和泊松方程，得到了载流子在各个阱间的分布比值和辐射复合速率.同时还得到了不同电流下电致发光(EL)谱的峰值波长、谱峰半高宽及EL谱强度的变化情况.发现当测试电流由10 mA 增加到70 mA时，理论结果与实验结果能很好符合. 关键词： 极化 载流子不均匀分布 复合速率     

磁光非线性光纤中光参量增益的研究

将光纤中磁光效应和非线性效应作为微扰,推导了磁光四波混频的耦合模方程.通过解析解研究了各向同性磁光非线性光纤的参量过程,并指出利用磁光耦合系数的色散特性可以实现四波混频的相位匹配.同时,采用龙格-库塔法分析了在线双折射磁光非线性光纤中,忽略费尔德常量的波长依赖性时,左旋圆偏振光参量增益的磁控特性,指出了实验中采用较高费尔德常量的非线性光纤的必要性.研究表明:1)对于低线双折射磁光非线性光纤,优化双折射大小可以获得最大的参量增益;2)根据参量增益对磁光耦合系数的单调依赖特性,适当选择光纤长度、泵浦功率以及输入导波光的偏振态,可使参量增益的磁可调范围大大提高.     

激光剥离技术实现垂直结构GaN基LED

为改善GaN基发光二极管(Light-emitting diode,LED)的电学特性和提高其输出光功率,采用激光剥离技术,在KrF准分子激光器脉冲激光能量密度为400mJ/cm2的条件下,将GaN基LED从蓝宝石衬底剥离,结合金属熔融键合技术,在300℃中将GaN基LED转移至高电导率和高热导率的硅衬底,制备出了具有垂直结构的GaN基LED,并对其电学和光学特性进行了测试。结果表明:在110mA注入电流下,垂直结构器件的开启电压由普通结构的3.68V降低到了3.27V;在560mA注入电流下,器件输出光功率没有出现饱和现象;采用高电导率和高热导率的硅衬底能有效地改善GaN基LED的电学和光学特性。     

Simulation of polarization effects in AlGaN/GaN heterojunction

Because of their large band-gap, large high-field electron velocity, large breakdownfield, and large thermal conductivity, GaN and its heterojunction with AlGaN and InGaNhave foreseeable potential in the applications of high-power/temperature electronics, andoptoelectronic devices operative in UV and visible wavelength. Polarization inducedelectric field can reach the magnitude of ~MV/cm[1,2]. For AlGaN/GaN based FETs theconcentration of sheet carrier induced by polarization in the cha…     

A two-dimensional fully analytical model with polarization effect for off-state channel potential and electric field distributions of GaN-based field-plated high electron mobility transistor

In this paper, we present a two-dimensional （2D） fully analytical model with consideration of polarization effect for the channel potential and electric field distributions of the gate field-plated high electron mobility transistor （FP-HEMT） on the basis of 2D Poisson＇s solution. The dependences of the channel potential and electric field distributions on drain bias, polarization charge density, FP structure parameters, A1GaN/GaN material parameters, etc. are investigated. A simple and convenient approach to designing high breakdown voltage FP-HEMTs is also proposed. The validity of this model is demonstrated by comparison with the numerical simulations with Silvaco-Atlas. The method in this paper can be extended to the development of other analytical models for different device structures, such as MIS-HEMTs, multiple-FP HETMs, slant-FP HEMTs, etc.     

氮化物半导体耦合量子阱中非线性光整流特性:压电效应与自发极化效应

考虑了由于压电与自发极化引起的强内电场效应,基于密度矩阵与久期处理方法,理论考察了纤锌矿氮化物半导体耦合量子阱体系的非线性光整流特性。根据已经成功建立的耦合量子阱的内建电场模型,精确求解了体系的电子本征态。以典型的GaN/InxGa1-xN纤锌矿氮化物耦合量子阱为例进行了数值计算,结果发现共振光整流系数达到了10-6m/V的量级(体系的偶极矩阵元大小超过了2nm),这比同样尺寸的单氮化物量子阱的相应值高一个数量级。而且,计算还发现光整流系数对耦合量子阱的结构与掺杂组分呈现非单调的依赖关系,这一特性被归结为体系的强内建电场与量子尺寸效应对载流子受限特性的强烈竞争。计算结果还表明,通过选择小尺寸阱宽与垒宽的耦合量子阱,适当降低掺杂组分,可在氮化物耦合量子阱中获得较强的光整流效应。