势垒材料对GaN基异质结电学特性的影响研究

基于势垒材料分别为Al0.27Ga0.73N和In0.17Al0.83N的GaN基异质结肖特基二极管(SBD),研究了GaN基异质结的漏电流输运机制、二维电子气密度和反向击穿电压等重要电学特性。结果表明,AlGaN/GaN SBD的反向电流主要由Frenkel-Poole(FP)发射机制主导,而InAlN/GaN SBD的反向电流在低电场下表现为FP发射电流,在高电场下则表现为Fowler-Nordheim隧穿电流。InAlN/GaN SBD的异质界面二维电子气密度明显高于AlGaN/GaN SBD,但是InAlN层存在高密度的缺陷,导致InAlN/GaN SBD的反向漏电流较大,且反向击穿电压较低。     

AlGaN/GaN肖特基二极管漏电流传输机制与模型

制备了一种势垒层为非掺杂Al0.27Ga0.73N的AlGaN/GaN肖特基二极管。通过拟合不同温度和应力时间下的电流数据,研究了该肖特基二极管的反向漏电流的传输机制和模型。研究表明,在不同温度下,ln(I/E)与E1/2呈线性关系,电流由Frenkel-Poole(FP)发射主导。考虑极化电场和势垒层缺陷的影响,对FP发射模型进行了修正。对修正后的FP模型进行了光发射显微镜测试。测试结果表明,AlGaN/GaN肖特基二极管漏电流的传输机制为高电场通过缺陷发射电子,缺陷的势垒高度约为0.3 eV。     

氮化镓基高电子迁移率晶体管栅电流输运机制研究

制备了与AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管栅极结构与性能等效的圆形肖特基二极管结构,测量了器件的变温电流-电压特性,研究其在正向与反向偏压条件下的载流子输运过程。结果表明:(1)正向低偏压线形区的电流主要为缺陷辅助隧穿电流,而体电阻效应显著的高偏压区,经典热发射机制占主导地位;(2)AlGaN势垒层中的极化电场对器件的反向漏电流起重要作用,载流子的主要输运过程为Frenkel-Poole发射机制。     

无凹槽AlGaN/GaN肖特基势垒二极管正向电流输运机制

研究了无凹槽AlGaN/GaN肖特基势垒二极管(SBD)的正向电流输运机制。分别采用Ni/Au和TiN作为阳极金属材料制备了无凹槽AlGaN/GaN SBD,对比了两种SBD的直流特性。并通过测量器件的变温I-V特性,研究了器件的正向电流输运机制。结果表明,TiN-SBD(0.95 V@1 mA·mm^-1)与Ni/Au-SBD(1.15 V@1 mA·mm^-1)相比实现了更低的开启电压,从而改善了正向导通特性。研究发现两种SBD的势垒高度和理想因子都强烈依赖于环境温度,通过引入势垒高度的高斯分布模型解释了这种温度依赖性,验证了正向电流输运机制为与势垒高度不均匀分布相关的热电子发射机制。     

AlGaN/GaN和AlGaN SBD的温度特性研究

研究了AlGaN/GaN异质结构上的肖特基接触的基本原理及载流子的高温输运特性.将AlGaN/GaN异质结SBD和AlGaN SBD,在27～250℃进行实验比较.发现随着温度上升,AlGaN SBD的势垒高度下降,理想因子增加,其影响因素包括热电子发射、场发射、隧穿效应及复合电流效应等机制.而AlGaN/GaN异质结SBD由于受到压电极化场和2DEG和的影响,其势垒高度和理想因子随温度的变化趋势与AlGaNSBD相反.实验结果还显示,AlGaN/GaN异质结SBD的反向电流随着温度的上升,呈现先增大后减小的趋势.     

凹栅槽AlGaN/GaN HEMTs器件退火处理效应

研究了如何减小等离子体干法刻蚀导致的大肖特基漏电.用X射线光电能谱(XPS)分析刻蚀前后的AlGaN表面,发现刻蚀后AlGaN表面出现了N窄位,导致肖特基栅电流偏离热电子散射模型,N空位做为一种缺陷使得肖特基结的隧穿几率增大,反向漏电增大,肖特基势垒降低.介绍了一种AlGaN/GaN HEMTs器件退火处理方法,优化退火条件为400℃,Nz氛围退火10min.退火后,栅金属中的Ni与Ga原子反应从而减少N空穴造成的缺陷,器件肖特基反向漏电减小三个量级,正向开启电压升高,理想因子从3.07降低到了2.08.     

凹栅槽AlGaN/GaN HEMTs器件退火处理效应

研究了如何减小等离子体干法刻蚀导致的大肖特基漏电. 用X射线光电能谱（XPS）分析刻蚀前后的AlGaN表面,发现刻蚀后AlGaN表面出现了N空位,导致肖特基栅电流偏离热电子散射模型,N空位做为一种缺陷使得肖特基结的隧穿几率增大,反向漏电增大,肖特基势垒降低. 介绍了一种AlGaN/GaN HEMTs器件退火处理方法,优化退火条件为400℃, N2氛围退火10min. 退火后,栅金属中的Ni与Ga原子反应从而减少N空穴造成的缺陷,器件肖特基反向漏电减小三个量级,正向开启电压升高,理想因子从3.07降低到了2.08.     

晶格匹配InAlN/GaN HEMTs栅极电流击穿行为研究

相较于传统AlGaN/GaN HEMTs,采用晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN异质结可有效消除逆压电效应引发的器件可靠性问题,而且沟道二维电子气密度更高,更适合射频微波通信应用。然而,In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN HEMTs的外延片材料往往存在较高的位错密度,大幅度降低了器件的击穿场强。结合栅极偏压步进应力和微光显微技术,研究晶格匹配InAlN/GaN HEMTs的栅极电流击穿过程与机制,结果发现过激Fowler-Nordheim(FN)电流是器件击穿的主要原因。来自栅极的电子在高电场作用下发生FN隧穿成为高能热电子,它们会在异质结界面释放能量,导致该处形成大量新结构缺陷,同时InAlN材料本身固有可导缺陷密度相对较高,故当缺陷密度增加并达到某一临界值时,便会立刻发生瞬态静电释放,即电流热击穿。     

AlGaN/GaN HFET中的陷阱

提出了二维表面态和表面缺陷层构成的AlGaN/GaN HFET中的陷阱模型。自洽求解薛定谔方程和泊松方程得到异质结能带和沟道阱基态、激发态及二维表面态的波函数。发现表面高密度缺陷减薄了势垒层厚度,显著增强了热电子隧穿过程。从缺陷态发射电子和热电子隧穿构成的新陷阱模型出发,解释了HFET的瞬态电流、肖特基势垒的伏安特性和产生-复合噪声。最后讨论了改进材料生长和器件工艺来抑制陷阱效应,改善器件性能的途径。     

AlGaN/GaN横向肖特基势垒二极管的仿真与制作

基于GaN横向肖特基势垒二极管(SBD)的频率特性和应用的需要,设计了一种基于AlGaN/GaN异质结的横向SBD.利用Silvaco Atlas软件研究了 AlGaN势垒层的厚度和Al摩尔组分对异质结AlχGaN1-χ/GaN SBD电学性能的影响.仿真结果表明,SBD器件截止频率随Al摩尔组分的增加先增大再减小,当AlχGaN,1-χ层中Al摩尔组分为0.2～0.25,其厚度为20～30nm时,AlGaN/GaN SBD器件的频率特性最好.在仿真的基础上,设计制作出了肖特基接触直径为2 μm的非凹槽和凹槽型AlGaN/GaN横向空气桥SBD.通过直流I-V[测试和射频S参数测试,提取了两种SBD器件的理想因子、串联电阻、结电容、截止频率和品质因子等关键参数,该平面 SBD可应用于片上集成和混合集成的太赫兹电路的设计与制造.     

Comparison of electrical characteristics between AlGaN/GaN and lattice-matched InAlN/GaN heterostructure Schottky barrier diodes

Lattice-matched Pt/Au–In_0.17Al_0.83N/GaN hetreojunction Schottky barrier diodes (SBDs) with circular planar structure have been fabricated. The electrical characteristics of InAlN/GaN SBD, such as two-dimensional electron gas (2DEG) density, turn-on voltage, Schottky barrier height, reverse breakdown voltage and the forward current-transport mechanisms, are investigated and compared with those of a conventional AlGaN/GaN SBD. The results show that, despite the higher Schottky barrier height, more dislocations in InAlN layer causes a larger leakage current and lower reverse breakdown voltage than the AlGaN/GaN SBD. The emission microscopy images of past-breakdown device suggest that a horizontal premature breakdown behavior attributed to the large leakage current happens in the InAlN/GaN SBD, differing from the vertical breakdown in the AlGaN/GaN SBD.     

GaN HFET的性能退化

在综述大功率AlGaN/GaN HFET性能退化实验结果的基础上,研究了器件退化与电流崩塌间的关联。分析了现有各类器件失效模型的优点和不足之处。通过沟道中强电场和热电子分布的研究,完善了热电子触发产生缺陷陷阱的器件退化模型。使用这一模型解释了实验中观察到的各类性能退化现象,指出优化设计异质结构可以有效减弱GaN HFET的性能退化。最后提出减弱器件性能退化的方法和途径。     

一种阳极连接P型埋层的AlGaN/GaN肖特基二极管

在传统AlGaN/GaN肖特基二极管中,阳极漏电始终是制约器件耐压提高的一个重要因素。因此文中研究了在缓冲层中生长P型埋层并与阳极相连的AlGaN/GaN肖特基二极管结构 AC-PBL FPs SBD来抑制阳极的泄漏电流。同时,在二极管的两级均加上场板来调制该器件的表面电场分布。经过仿真验证可知,该结构的阳极关断泄漏电流得到了有效抑制,同时辅助耗尽沟道内的2DEG,扩大空间电荷区,进而提高了器件的耐压特性。该结构的击穿电压为733 V,与传统GET SBD器件相比,击穿电压提高了近3.4倍,Baliga优值提升了近11.6倍,说明该器件可以应用在电力电子线路中。     

钝化与场板结构对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌的影响

由于AlGaN／GaNHEMT的几何结构以及很强的极化效应,栅漏区域的电场很大,以至于电子可以从栅隧穿到AlGaN表面．隧穿的电子在表面累积,导致栅下耗尽区的电子向漏端延伸,从而引起漏极电流的下降．文中采用应力测试方法,研究了未钝化、钝化以及场板三种结构的AlGaN／GaNHEMT的电流崩塌程度．实验结果表明,钝化隔断了电子从栅隧穿到AlGaN表面的通道,场板结构能够有效降低栅边缘电场,均减少了电子从栅隧穿到表面陷阱的几率,从而使虚栅的作用减弱,有效地抑制了电流崩塌效应．     

等离子体刻蚀凹栅槽影响AlGaN/GaN HEMT栅电流的机理

对等离子体干法刻蚀形成的凹栅槽结构AlGaN/GaN HEMTs肖特基电流增加的机理进行了研究.实验表明,凹栅槽结构AIGaN/GaN HEMTs肖特基栅电流增加一个数量级以上,击穿电压有一定程度的下降.利用AFM和XPS的方法分析AlGaN表面,等离子体干法刻蚀增加了AlGaN表面粗糙度,甚至出现部分尖峰状突起,增大了栅金属与AlGaN的接触面积;另一方面,等离子体轰击使AlGaN表面出现一定量的N空位,相当于栅金属与AlGaN接触界面处出现n型掺杂层,使肖特基结的隧道效应加强,降低了肖特基势垒.由此表明,AlGaN表面粗糙度的增加以及一定量的N空位出现是引起栅电流急剧增大的根本原因.     

应力对GaN HEMT器件电流崩塌的影响

电流崩塌是目前GaN HEMT微波功率器件中最严重的问题之一,国内外都有研究,但尚无统一结论。通过实验,研究了GaN HEMT器件电流崩塌现象。研究表明,不同电应力条件下,导致漏电流崩塌和最大跨导下降的物理机制不同,在大电场应力下,主要物理机制是栅隧穿电子填充表面态;而在热电子应力下,是沟道热电子填充界面态。     

Gate control, surface leakage currents, and peripheral charging in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors having nanometer-scale schottky gates

Gate control properties together with gate leakage currents in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors (HFETs) with nanometer-scale Schottky gates were investigated, focusing on the effects of AlGaN surfaces at the gate periphery. Fabricated AlGaN/GaN HFETs showed unexpectedly small gate length (L_G) dependence of transconductance, g_m. Comparing the transfer characteristics from theory and experiment, effective L_G values in the fabricated devices were found to be much longer than the geometrical size on the order of 100 nm, indicating the formation of virtual gates. Detailed analysis of the gate leakage current behaviors based on a thin surface barrier model showed the presence of a strong electric field at the gate periphery. The mechanism of the virtual gate formation was discussed based on the obtained nanometer-scale Schottky gate behaviors.     

AlGaN/GaN HEMT中电场分布的ATLAS模拟

用Silvaco的ATLAS软件模拟了栅场板参数对AlGaN/GaN HEMT中电场分布的影响.模拟结果表明,场板的加入改变了器件中电势的分布情况,降低了栅边缘处的电场峰值,改善了器件的击穿特性;场板长度(LFP,length of field plate)、场板与势垒层间的介质层厚度t等对电场的分布影响很大.随着LFP的增大、t的减小,栅边缘处的电场峰值Epeak1明显下降,对提高器件的耐压非常有利.通过对相同器件结构处于不同漏压下的情况进行模拟,发现当器件处于高压下时,场板的分压作用更加明显,说明场板结构更适合于制备用作电力开关器件的高击穿电压AlGaN/GaN HEMT.     

Study of the leakage current suppression for hybrid-Schottky/ohmic drain AlGaN/GaN HEMT

The leakage current suppression mechanism in AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs) is investigated. It is known that leakage current can cause severe reliability problems for HEMT devices and conventional AlGaN/GaN HEMT devices suffer from detrimental off-state drain leakage current issues, especially under high off-state drain bias. Therefore, a leakage current suppression technique featuring hybrid-Schottky/ohmic-drain contact is discussed. Through the 2-zones leakage current suppression mechanism by the hybrid-Schottky/drain metal including the shielding effect of the rough ohmic-drain metal morphology and the drain side electric field modulation, AlGaN/GaN HEMT featuring this novel technique can significantly enhance the leakage current suppression capability and improve the breakdown voltage. An analytical method using loop-voltage-scanning is proposed to illustrate the optimization procedure of the hybrid-Schottky/ohmic drain metallization on leakage current suppression. Through the comparison of the loop leakage current hysteresis of conventional ohmic drain HEMT and hybrid-Schottky/ohmic drain, the leakage current suppression mechanism is verified through the leakage current considering surface acceptor-like trap charging/discharging model. Device featuring the hybrid-Schottky/ohmic drain technique shows an improvement in breakdown voltage from 450 V (with no Schottky drain metal) to 855 V with a total drift region length of 9 μm, indicating enhanced off-state reliability characteristics for the AlGaN/GaN HEMT devices.     

金属—氮氧化硅—硅电容在本征击穿前的漏电特性

本文的实验结果表明，从６ＭＶ／ｃｍ到１４ＭＶ／ｃｍ的外加电场范围内，在氮氧化硅膜的漏电机理与常规方法生长的氧化硅的不同，氮氧化硅膜漏电机理可分为三种，当电小于８ＭＶ／ｃｍ时，漏电是由于注入电子的直接隧穿填充绝缘体中的浅陷阱而引起的。在高场范围（＞１０ＭＶ／ｃｍ）Ｆｏｗｌｅｒ－Ｎｏｒｄｈｅｉｍ（ＦＮ）效应占支配地位。这些机理与介质膜的制备条件有关。在中等电场区域，注入电子能通过ＦＮ电流和直接隧穿到达