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     

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.     

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.     

中子辐照对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电特性的影响

本文采用能量为1 MeV的中子对SiN钝化的AlGaN/GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)器件进行了最高注量为1015cm-2的辐照.实验发现:当注量小于1014cm-2时,器件特性退化很小,其中栅电流有轻微变化(正向栅电流IF增加,反向栅电流IR减小),随着中子注量上升,IR迅速降低.而当注量达到1015cm-2时,在膝点电压附近,器件跨导有所下降.此外,中子辐照后,器件欧姆接触的方块电阻退化很小,而肖特基特性退化却相对明显.通过分析发现辐照在SiN钝化层中引入的感生缺陷引起了膝点电压附近漏电流和反向栅泄漏电流的减小.以上结果也表明,SiN钝化可以有效地抑制中子辐照感生表面态电荷,从而屏蔽了绝大部分的中子辐照影响.这也证明SiN钝化的AlGaN/GaN HEMT器件很适合在太空等需要抗位移损伤的环境中应用.     

加载功率与壳温对AlGaN/GaN高速电子迁移率晶体管器件热阻的影响

结温是制约器件性能和可靠性的关键因素, 通常利用热阻计算器件的工作结温. 然而, 器件的热阻并不是固定值, 它随器件的施加功率、温度环境等工作条件的改变而变化. 针对该问题, 本文以CREE公司生产的高速电子迁移率晶体管(HEMT)器件为研究对象, 利用红外热像测温法与Sentaurus TCAD模拟法相结合, 测量研究了AlGaN/GaN HEMT器件在不同加载功率以及管壳温度下热阻的变化规律. 研究发现: 当器件壳温由80 ℃升高至130 ℃时, 其热阻由5.9 ℃/W变化为6.8 ℃/W, 增大15%, 其热阻与结温呈正反馈效应; 当器件的加载功率从2.8 W增加至14 W时, 其热阻从5.3 ℃/W变化为6.5 ℃/W, 增大22%. 对其热阻变化机理的研究发现: 在不同的管壳温度以及不同的加载功率条件下, 由于材料导热系数的变化导致其热阻随温度与加载功率的变化而变化.     

AlGaN/GaN HEMT器件电流坍塌和膝点电压漂移机理的研究

考虑了势垒层、缓冲层体陷阱及表面电荷的浓度变化对电流坍塌和膝点电压的影响,发现表面电荷和势垒层体陷阱浓度的变化对沟道电子的浓度影响较小,表面电荷浓度变化下的膝点电压的偏移和坍塌强度的大小与势垒层势阱能量的变化有着主要的关系.缓冲层有着比势垒层更强的局域作用,势垒层和缓冲层的体陷阱浓度在一定范围变化时的膝点电压偏移主要是由沟道电子浓度的变化而引起的,但偏移量却比表面电荷浓度变化的情况下小很多.势阱能量的变化是造成膝点电压偏移的重要原因,坍塌强度主要取决于势阱能量和沟道的电子浓度. 关键词： AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 电流坍塌 膝点电压 陷阱俘获     

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     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件中子位移损伤效应及机理

针对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件和异质结构在西安脉冲反应堆上开展了中子位移损伤效应研究,等效1MeV中子注量为1×10¹⁴n/cm².测量了器件在中子辐照前后的直流特性和1/f噪声特性,并对测试结果进行理论分析,结果表明:中子辐照在器件内引入体缺陷,沟道处的体缺陷通过俘获电子和散射电子,造成器件电学性能退化,主要表现为阈值电压正漂、输出饱和漏电流减小以及栅极泄漏电流增大.经过低频噪声的测试计算得到,中子辐照前后,器件沟道处的缺陷密度由1.78×10¹²cm^–3·eV–1增大到了1.66×1014cm^–3·eV^–1.采用C-V测试手段对肖特基异质结进行测试分析,发现沟道载流子浓度在辐照后有明显降低,且平带电压也正向漂移.分析认为中子辐照器件后,在沟道处产生了大量缺陷,这些缺陷会影响沟道载流子的浓度和迁移率,进而影响器件的电学性能.     

场板抑制GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌的机理研究

通过实验和数值器件仿真研究了钝化GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)、栅场板GaN HEMTs和栅源双层场板GaN HEMTs电流崩塌现象的物理机理,建立了电流崩塌强度与帽层中载流子浓度、陷阱电离率和电场的内在联系.研究结果表明,场板可以有效调制帽层中横向和纵向电场的强度分布,并可有效调制纵向电场的方向,减弱栅极附近电场强度,增加场板下方电场强度,这会减弱栅极附近自由电子的横向运动,增强场板下方自由电子的纵向运动,进而可以有效调制帽层中自由电子浓度的分布,提高陷阱的电离率,减小器件的电流崩塌. 关键词： 电流崩塌 钝化器件 场板器件 陷阱电离率     

场板结构AlGaN/GaN HEMT的电流崩塌机理

在不同的漏偏压下,研究了钝化和不同场板尺寸AlGaN/GaN HEMT对电流崩塌的抑制能力.实验结果表明,钝化器件对电流崩塌的抑制能力随着漏偏压的升高而显著下降;在高漏偏压下,场板的尺寸对器件抑制崩塌的能力有较大影响,而合适尺寸的场板结构在各个漏偏压下都能够很好的抑制电流崩塌.深入分析发现,场板结构不仅能够抑制虚栅的充电过程,而且提供了放电途径,有利于虚栅的放电,从而抑制电流崩塌.在此基础上,通过建立场板介质对虚栅放电的模型,解释了高漏偏压下场板的尺寸对器件抑制崩塌的能力有较大影响的原因. 关键词： AlGaN/GaN HEMT 场板 电流崩塌     

场板结构AlGaN/GaN HEMT的电流崩塌机理

在不同的漏偏压下，研究了钝化和不同场板尺寸AlGaN/GaN HEMT对电流崩塌的抑制能力.实验结果表明，钝化器件对电流崩塌的抑制能力随着漏偏压的升高而显著下降；在高漏偏压下，场板的尺寸对器件抑制崩塌的能力有较大影响，而合适尺寸的场板结构在各个漏偏压下都能够很好的抑制电流崩塌.深入分析发现，场板结构不仅能够抑制虚栅的充电过程，而且提供了放电途径，有利于虚栅的放电，从而抑制电流崩塌.在此基础上，通过建立场板介质对虚栅放电的模型，解释了高漏偏压下场板的尺寸对器件抑制崩塌的能力有较大影响的原因.     

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     

AlGaN/GaN HEMT器件直流扫描电流崩塌机理及其物理模型

通过对AlGaN/GaN HEMT器件直流扫描情况下电流崩塌现象和机理的分析，建立了一个AlGaN/GaN HEMT器件的直流扫描电流崩塌模型.该模型从AlGaN/GaN器件工作机理出发，综合考虑了器件结构、半导体表面与界面，以及量子阱特殊结构对电流崩塌的影响.实验反复证明了该模型与实验结果有良好的一致性. 关键词： AlGaN/GaN HEMT 直流扫描 电流崩塌 模型     

Intrinsic relationship between photoluminescence and electrical characteristics in modulation Fe-doped AlGaN/GaN HEMTs

The photoluminescence(PL) and electrical properties of Al GaN/GaN high electron mobility transistors(HEMTs) with different Fe doping concentrations in the GaN buffer layers were studied. It was found that, at low Fe doping concentrations,the introduction of Fe atoms can result in a downward shift of the Fermi level in the GaN buffer layer, since the Fe atoms substitute Ga and introduce an Fe_(Ga)~(3+/2+) acceptor level. This results in a decrease in the yellow luminescence(YL) emission intensity accompanied by the appearance of an infrared(IR) emission, and a decrease in the off-state buffer leakage current(BLC). However, a further increase in the Fe doping concentration will conversely result in the upward shift of the Fermi level due to the incorporation of O donors under the large flow rate of the Fe source. This results in an increased YL emission intensity accompanied by a decrease in the IR emission intensity, and an increase in the BLC. The intrinsic relationship between the PL and BLC characteristics is expected to provide a simple and effective method to understand the variation of the electrical characteristic in the modulation Fe-doped HEMTs by optical measurements.     

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

In this paper, a new current expression based on both the direct currect （DC） characteristics of the A1GaN/GaN high election mobility transistor （HEMT） and the hyperbolic tangent function tanh is proposed, by which we can describe the kink effect of the A1GaN/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 A1GaN/GaN HEMT with ten gate fingers each being 0.4-μm long and 125-p-m wide （Such an A1GaN/GaN HEMT is denoted as A1GaN/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.     

Low-leakage-current AIGaN/GaN HEMTs on Si substrates with partially Mg-doped GaN buffer layer by metal organic chemical vapor deposition

High-performance low-leakage-current A1GaN/GaN high electron mobility transistors （HEMTs） on silicon （111） sub- strates grown by metal organic chemical vapor deposition （MOCVD） with a novel partially Magnesium （Mg）-doped GaN buffer scheme have been fabricated successfully. The growth and DC results were compared between Mg-doped GaN buffer layer and a unintentionally onμe. A 1μ m gate-length transistor with Mg-doped buffer layer exhibited an OFF-state drain leakage current of 8.3 × 10-8 A/mm, to our best knowledge, which is the lowest value reported for MOCVD-grown A1GaN/GaN HEMTs on Si featuring the same dimension and structure. The RF characteristics of 0.25-μ m gate length T-shaped gate HEMTs were also investigated.