具有高击穿电压的AlN背势垒AlGaN/GaN/AlN HEMT材料

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在4英寸(1英寸=2.54 cm)蓝宝石衬底上制备了1.2μm厚的AlN背势垒的AlGaN/GaN/AlN双异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)材料,其AlGaN势垒层表面粗糙度(RMS)、二维电子气(2DEG)迁移率以及HEMT材料的弯曲度都较为接近于常规的高阻GaN背势垒结构的HEMT材料。由于AlN晶格常数较小,具有AlN背势垒的HEMT材料受到了更大的压应力。通过对比分析两种HEMT材料所制备的器件发现,受益于AlN背势垒层更高的禁带宽度和临界电场,由AlN背势垒HEMT材料所制备的器件三端关态击穿电压为常规高阻GaN背势垒HEMT器件的1.5倍,缓冲层漏电流则较常规高阻GaN背势垒HEMT器件低2～3个数量级。     

蓝宝石上高电子迁移率AlGaN/GaN材料的研究

通过优化蓝宝石衬底上GaN材料缓冲层和Mg掺杂生长工艺,获得了高质量的半绝缘GaN缓冲层,同时通过优化AlGaN/GaN异质结材料中AlN插入层的厚度,获得了性能优良的AlGaN/GaN HEMT材料.室温下2DEG载流子面密度为1.21×10013/cm2,迁移率为1970 cm2/V·s,77 K下2DEG迁移率达到13000 cm2/V·s.     

AlGaN/GaN HEMT材料外延技术研究

采用低压MOCVD技术在蓝宝石和SiC衬底上生长了本征GaN和AlGaN/GaN HEMT结构材料。生长过程中采用了EpiTUNEⅡ在位监测技术,对材料生长工艺进行了模型分析以及优化控制。在获得具有良好表面形貌、晶体质量以及光荧光谱的GaN本征材料基础上,生长了AlGaN/GaN HEMT结构材料,获得了良好的2DEG性能。     

4W/mm蓝宝石衬底AlGaN/GaN HEMT

报道了利用南京电子器件研究所生长的蓝宝石衬底AlGaN/GaN异质结材料制作的HEMT,器件功率输出密度达4W/mm。通过材料结构及生长条件的优化,利用MOCVD技术获得了二维电子气(2DEG)面密度为0.97×1013cm-2、迁移率为1000cm2/Vs的AlGaN/GaN异质结构材料,用此材料完成了栅长1μm、栅宽200μm AlGaN/GaN HEMT器件的研制。小信号测试表明器件的fT为17GHz、最高振荡频率fmax为40GHz;负载牵引测试得到2GHz下器件的饱和输出功率密度为4.04W/mm。     

Al_xGa_(1-x)N/GaN异质结构中二维电子气的自旋性质

Ⅲ族氮化物材料有很长的电子自旋弛豫时间以及很高的居里温度,成为近年来半导体自旋电子学研究的重要材料体系之一。介绍了目前两种最主要的研究AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气(2DEG)自旋性质的物理效应:磁电阻的舒伯尼科夫-德哈斯拍频振荡和弱反局域效应,回顾了AlxGa1-xN/GaN异质结构中2DEG自旋性质的研究进展。AlxGa1-xN/GaN异质结构材料中有很强的极化电场,诱导产生很高浓度的2DEG,能够产生相当大能量的自旋分裂,并且这种自旋分裂可以被栅压所调控,因此在自旋场效应晶体管方面有很好的应用前景。然而要实现GaN基自旋电子学器件的应用,GaN中自旋注入效率是目前所面临的问题。     

掺杂AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应研究

对不同掺杂浓度AlGaN/GaN HEMTs施加直流偏置应力,研究掺杂AlGaN/GaN HEMTs电流崩塌效应.实验表明,掺杂AlGaN势垒层对器件电流崩塌效应有明显的抑制作用,随着掺杂浓度增加,掺杂对电流崩塌效应的抑制作用越显著.这是因为对于掺杂AlGaN/GaN HEMT,表面态俘获电子将耗尽掺杂AlGaN层,从而能对2DEG起屏蔽作用.AlGaN体内杂质电离后留下正电荷也能进一步屏蔽表面态对沟道2DEG的影响.     

氮化镓注镁(Mg:GaN)的光致发光

利用低压MOCVD在蓝宝石衬底上外延生长了GaN,用离子注入法掺入Mg杂质,退火后,进行光致发光测量,观察到显著的蓝光发射和黄带发射.光谱分析给出了与注入Mg离子相关的GaN禁带中能级的精细结构,其中: 间位Mg(Mgi)能级(导带下170meV)到替位Mg(MgGa)受主能级(价带上250meV)的跃迁产生了415nm发光峰; 该能级到价带上390meV能级的跃迁,以及带有紧邻N空位的替位Mg(MgGaVN)能级(导带下310meV)到 MgGa受主能级的跃迁,均产生了438nm发光峰.另外,退火使GaN晶格结构部分恢复,再现了黄带发射.     

氮化镓注镁(Mg:GaN)的光致发光

利用低压MOCVD在蓝宝石衬底上外延生长了GaN,用离子注入法掺入Mg杂质,退火后,进行光致发光测量,观察到显著的蓝光发射和黄带发射.光谱分析给出了与注入Mg离子相关的GaN禁带中能级的精细结构,其中: 间位Mg(Mgi)能级(导带下170meV)到替位Mg(MgGa)受主能级(价带上250meV)的跃迁产生了415nm发光峰; 该能级到价带上390meV能级的跃迁,以及带有紧邻N空位的替位Mg(MgGaVN)能级(导带下310meV)到 MgGa受主能级的跃迁,均产生了438nm发光峰.另外,退火使GaN晶格结构部分恢复,再现了黄带发射.     

AlGaN/GaN HEMT高温特性的研究进展

回顾了在高温条件下A1GaN/GaN HEMT器件特性的研究进展.发现2DEG的高温特性是影响器件高温性能的根本内在因素,且外延材料的缺陷、衬底及其器件的封装形式也影响器件的高温特性.最后总结了适合高温下工作的AlGaN/GaN HEMT的改进方法.     

碳致深能级引起的AlGaN/GaN HEMT电流崩塌现象

AlGaN/GaN HEMT良好的功率特性虽然被大量报导,但其电流崩塌现象仍是一个令人困扰的问题,作者通过实验证明了导致其电流崩塌的一个因素.两个AlGaN/GaN样片被分别放在纯氮气和掺碳的氮气气氛中快速退火,利用XPS证明了后者中的碳元素含量远远大于前者.比较二者的I-V特性曲线,可发现碳杂质的引入可使AlGaN/GaN HEMT电流崩塌程度大大增加.分析表明:由碳杂质引入导致的深能级使得负栅压下俘获沟道中的载流子在正栅压下不能立刻释放,从而引起AlGaN/GaN HEMT中的电流崩塌现象.     

碳致深能级引起的AlGaN/GaN HEMT电流崩塌现象

AlGaN/GaN HEMT良好的功率特性虽然被大量报导,但其电流崩塌现象仍是一个令人困扰的问题,作者通过实验证明了导致其电流崩塌的一个因素.两个AlGaN/GaN样片被分别放在纯氮气和掺碳的氮气气氛中快速退火,利用XPS证明了后者中的碳元素含量远远大于前者.比较二者的I-V特性曲线,可发现碳杂质的引入可使AlGaN/GaN HEMT电流崩塌程度大大增加.分析表明:由碳杂质引入导致的深能级使得负栅压下俘获沟道中的载流子在正栅压下不能立刻释放,从而引起AlGaN/GaN HEMT中的电流崩塌现象.     

具有栅源间本征GaN调制层的AlGaN/GaN HEMT

为解决常规AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)因源极电子注入栅极右侧高场区造成的雪崩击穿,并提高器件的击穿电压,提出了一种具有栅源间本征GaN (i-GaN)调制层的新型AlGaN/GaN HEMT结构.新结构器件在反向耐压时将调制层下方部分区域的二维电子气(2DEG)完全耗尽,扩展了沟道的夹断区,有效阻止了源极电子向栅极右侧高场区的注入.仿真结果表明,通过设置适当的调制层长度和厚度,器件的击穿电压可从常规结构的862 V提升至新结构的1086 V,增幅达26％.同时,GaN调制层会微幅增大器件的比导通电阻,对阈值电压也具有一定的提升作用.     

含有Al组分阶变AlGaN过渡层的Si基AlGaN/GaN HEMT

采用一个AlN缓冲层和两个Al组分阶变的AlGaN过渡层作为中间层,在76.2mm Si衬底上外延生长出1.7μm厚无裂纹AlGaN/GaN异质结材料,利用原子力显微镜、X射线衍射、Hall效应测量和CV测量等手段对材料的结构特性和电学性能进行了表征。材料表面平整光滑,晶体质量和电学性能良好,2DEG面密度为1.12×1013cm-2,迁移率为1 208cm2/(V.s)。由该材料研制的栅长为1μm的AlGaN/GaN HEMT器件,电流增益截止频率fT达到10.4GHz,这些结果表明组分阶变AlGaN过渡层技术可用于实现高性能Si基GaN HEMT。     

基于蓝宝石衬底的高性能AlGaN/GaN二维电子气材料与HEMT器件

利用低压MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长了高性能的AlGaN/GaN二维电子气(2DEG)材料,室温和77K温度下的电子迁移率分别为946和2578cm2/(V*s),室温和77K温度下2DEG面密度分别为1.3×1013和1.27×1013cm-2.并利用AlGaN/GaN二维电子气材料制造出了高性能的HEMT器件,栅长为1μm,源漏间距为4μm,最大电流密度为485mA/mm(VG=1V),最大非本征跨导为170mS/mm(VG=0V),截止频率和最高振荡频率分别为6.7和24GHz.     

8英寸Si衬底上高质量AlGaN/GaN HEMT结构的生长

在8英寸(1英寸=2.54 cm)的Si衬底上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长了高质量、无龟裂的GaN薄膜和AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)结构.通过调节应力调控层的结构,厚度为5 μm的GaN膜层翘曲度低于50 μm.采用X射线衍射(XRD)对GaN薄膜的(002)和(102)衍射峰进行扫描,其半峰全宽(FWHM)分别为182和291 arcsec.透射电子显微镜(TEM)截面图显示GaN外延层的位错密度达到了3.5×107/cm2,证实了在大尺寸Si衬底上可以制作高质量的GaN薄膜.AlGaN/GaN HEMT结构的二维电子气浓度和载流子迁移率分别为9.29×1012/cm2和2 230 cm2/(V·s).基于这些半绝缘AlGaN/GaNHEMT结构所制作的功率电子器件的输出电流可达20 A,横向击穿电压可达1 200 V.     

AlGaN/GaN界面特性研究进展

GaN是一种宽禁带半导体材料,由于具有优越的热稳定性和化学稳定性,使这种材料和与其相关的器件可以工作在高温和恶劣的环境中,并可用于大功率微波器件。本文主要介绍AlGaN/GaN有关界面特性,该特性反映了纵向纳米尺度下的能带特性;从AlGaN/GaNHEMT设计出发,给出了材料性质和结构参数对AlGaN/GaN异质结二维电子气特性影响的研究结果;讨论了AlGaN/GaN界面2DEG载流子的输运性质;分析了材料缺陷对AlGaN/GaN界面2DEG性质的影响;指出了有待研究的问题和方向。     

背势垒对InAlN/GaN异质结构中二维电子气的影响

利用有效质量理论自洽求解Poisson和Schrdinger方程理论研究了背势垒插入层对InAlN/GaN晶格匹配异质结构的电学性能的影响。研究表明,对于In0.17Al0.83N/AlN/GaN的异质结构,AlN的临界厚度为2.43 nm。此时,异质结中二维电子气(2DEG)浓度达到2.49×1013 cm-2,且不随势垒层厚度的变化而变化。重点模拟研究了具有背势垒的InAlN/AlN/GaN/AlGaN/GaN和InAlN/AlN/GaN/InGaN/GaN两种结构的能带结构和2DEG的分布情况。理论结果表明,采用AlGaN背势垒结构时,对于AlGaN的任意Al组分,GaN沟道层导带底能量均被抬升,增强了AlN/GaN三角势阱对2DEG的限制作用,提高了电子迁移率。采用InGaN/GaN作为背势垒结构,当InGaN厚度为2或3 nm时,三角势阱中的2DEG随InGaN中In组分的增加先升高后降低,这主要是由于GaN/InGaN界面处产生的正极化电荷的影响,引起电子在AlN/GaN三角势阱和InGaN/GaN势阱之间的分布变化。     

增强型AlGaN/GaN/AlGaN双异质结槽栅HEMT研究

为了在获得高击穿电压的同时实现增强型器件,对AlGaN/GaN/AlGaN双异质结HEMT进行了栅槽刻蚀,得到阈值电压为0.6 V的增强型HEMT。对器件特性的变化机理进行了分析,发现刻蚀引入的陷阱态使器件的击穿性能降低。采用变频电导法,定量研究了反应离子刻蚀在AlGaN/GaN/AlGaN双异质结HEMT中引入的陷阱态。研究表明,刻蚀工艺在双异质结HEMT中引入了大量的浅能级陷阱,这些陷阱的能级主要分布在0.36~0.40 eV。     

AlN阻挡层对AlGaN/GaNHEMT器件的影响

利用低压MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长了AlGaN/GaN异质结和AlGaN/AlN/GaN异质结二维电子气材料,采用相同器件工艺制造出了AlGaN/GaN HEMT器件和AlGaN/AlN/GaN HEMT器件.通过对两种不同器件的比较和讨论,研究了AlN阻挡层的增加对AlGaN/GaN HEMT器件性能的影响.     

AlN阻挡层对AlGaN/GaN HEMT器件的影响

利用低压MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长了AlGaN/GaN异质结和AlGaN/AlN/GaN异质结二维电子气材料,采用相同器件工艺制造出了AlGaN/GaN HEMT器件和AlGaN/AlN/GaN HEMT器件.通过对两种不同器件的比较和讨论,研究了AlN阻挡层的增加对AlGaN/GaN HEMT器件性能的影响.