击穿电压提高的AlGaN/GaN/AlGaN双异质结特性

本文论述了AlGaN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管的特性,该结构使用Al组分为7%的AlGaN来代替传统的GaN作为缓冲层。Al0.07Ga0.93N缓冲层增加了二维电子气沟道下方的背势垒高度,有效提高了载流子限阈性,从而造成缓冲层漏电的显著减小以及击穿电压的明显提高。对于栅尺寸为0.5100μm,栅漏间距为1μm的器件,AlGaN/GaN 双异质结器件的击穿电压（~100V）是常规单异质结器件的两倍（~50V）。本文中的双异质结器件在漏压为35V、频率为4GHz下,最大输出功率为7.78W/mm,最大功率附加效率为62.3%,线性增益为23dB。     

AlGaN/GaN材料HEMT器件优化分析与I-V特性

在考虑AlGaN/GaN异质结中的压电极化和自发极化效应的基础上,自洽求解了垂直于沟道方向的薛定谔方程和泊松方程.通过模拟计算,研究了AlGaN/GaN HEMT器件掺杂层Al的组分、厚度、施主掺杂浓度以及栅偏压对二维电子气特性的影响.用准二维物理模型计算了AlGaN/GaN HEMT器件的输出特性,给出了相应的饱和电压和阈值电压,并对计算结果和AlGaN/GaN HEMT器件的结构优化进行了分析.     

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.     

AlGaN/GaN异质结构中的极化工程

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发,研究了AlGaN/GaN量子阱电子气密度随Al组份比、势垒层厚度和栅压的变化,比较了能带带阶和极化电荷对沟道阱能带和电子气特性的影响,研究了在势垒层和缓冲层中夹入AlN及InGaN薄层的作用,计算了AlGaN/GaN/AlGaN双异质结的能带,最后探讨了势垒层能带的优化设计,提出了剪裁势垒层能带来钝化表面的新方法。     

AlGaN/GaN一维模型自洽求解和二维电子气特性研究

实现了一维Poisson-Schrodinger方程的自洽求解,在此基础上求出了AlGaN/GaN异质结导带结构和二维电子气分布。计算结果表明极化效应是形成高浓度电子面密度的主要因素。研究了AlGaN/GaN系统中隔离层厚度对二维电子气浓度的影响,并对计算结果进行了分析。     

AlGaN／GaN二维电子气的特性研究

应用AlGaN/GaN异质结中的压电极化和自发极化边界条件自洽求解了薛定谔方程和泊松方程,求出异质结能带和二维电子气分布。研究了势垒层组分化、势垒层宽度、沟道层掺杂和栅电压变化对二维电子气特性的影响。着重研究了栅电压对二维电子气维性的控制作用,提出了使用薄势垒和重掺杂沟道的新HFET结构。     

AlN插入层与AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应的关系

比较有无AlN插入层AlGaN/GaN HEMTs在直流偏置应力条件下的电流崩塌程度,研究AlN插入层对电流崩塌的影响.从测试结果看,无AlN插入层的AlGaN/GaN HEMTs有更显著的电流崩塌程度,表明AlN插入层对电流崩塌效应有显著的抑制作用.模拟的AlGaN/GaN能带结构表明,AlN插入层能显著提高AlGaN导带底能级,增加异质结的带隙差.带隙差的增加有利于减小电子遂穿几率,加强沟道二维电子气的量子限制,从而抑制电流崩塌效应.     

AlN插入层与AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应的关系

比较有无AlN插入层AlGaN/GaN HEMTs在直流偏置应力条件下的电流崩塌程度,研究AlN插入层对电流崩塌的影响.从测试结果看,无AlN插入层的AlGaN/GaN HEMTs有更显著的电流崩塌程度,表明AlN插入层对电流崩塌效应有显著的抑制作用.模拟的AlGaN/GaN能带结构表明,AlN插入层能显著提高AlGaN导带底能级,增加异质结的带隙差.带隙差的增加有利于减小电子遂穿几率,加强沟道二维电子气的量子限制,从而抑制电流崩塌效应.     

肖特基金属对AlGaN/GaN二极管电学特性的影响

肖特基金属影响AlGaN/GaN异质结材料的电学特性。在AlGaN/GaN异质结材料上分别制备得到铱/金(Ir/Au)、镍/金(Ni/Au)和铼/金(Re/Au)三种不同肖特基接触的二极管器件,基于电流电压(I-V)和电容电压(C-V)测试结果,计算得到了三者的沟道二维电子气(2DEG)密度。并通过薛定谔和泊松方程自洽求解计算得到了三者的肖特基接触势垒高度、导带底能带图和沟道2DEG分布情况。研究发现金属功函数越小,势垒高度反而越高,沟道2DEG密度越小,GaN侧的沟道三角形势阱变得越浅。这主要是由于金属功函数越小,电子能量越高,与AlGaN势垒层表面态的电子耦合作用越强所致。     

AlGaN/GaN HFET的2DEG和电流崩塌研究(Ⅰ)

从不同的视角回顾和研究了A1GaN/GaN HFET的二维电子气(2DEG)和电流崩塌问题.阐述了非掺杂的AIGaN/GaN异质结界面存在2DEG的原动力是极化效应,电子来源是AlGaN上的施主表面态.2DEG浓度与AlGaN/GaN界面导带不连续性、AlGaN层厚和Al组分有密切关系.揭示了AlGaN/GaN HFET的2DEG电荷涨落受控于表面、界面和缓冲层中的各种缺陷及外加应力,表面空穴陷阱形成的虚栅对输入信号有旁路和延迟作用,它们导致高频及微波状态下的电流崩塌.指出由于构成电流崩塌因素的复杂性,各种不同的抑制电流崩塌方法都存在不足,因此实现该器件大功率密度和高可靠性还有很长的路要走.     

AlGaN/GaN HEMT器件工艺的研究进展

首先论述了Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在微波大功率领域的应用优势和潜力;其次,介绍并分析了影响Al GaN/GaN HEMT性能的主要参数,分析表明要提高Al-GaN/GaN HEMT的频率和功率性能,需改善寄生电阻、电容、栅长和击穿电压等参数。然后,着重从材料结构和器件工艺的角度阐述了近年来Al GaN/GaN HEMT的研究进展,详细归纳了目前主要的材料生长和器件制作工艺,可以看出基本的工艺思路是尽量提高材料二维电子气的浓度和材料对二维电子气的限制能力的同时减小器件的寄生电容和电阻,增强栅极对沟道的控制能力。另外,根据具体情况调节栅长及沟道电场。最后,简要探讨了Al GaN/GaN HEMT还存在的问题以及面临的挑战。     

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。     

Investigation of Self-Heating Effects in Submicrometer GaN/AlGaN HEMTs Using an Electrothermal Monte Carlo Method

An electrothermal Monte Carlo (MC) method is applied in this paper to investigate electron transport in submicrometer wurtzite GaN/AlGaN high-electron mobility transistors (HEMTs) grown on various substrate materials including SiC, Si, GaN, and sapphire. The simulation method is an iterative technique that alternately runs an MC electronic simulation and solves the heat diffusion equation using an analytical thermal resistance matrix method. Results demonstrate how the extent of the thermal droop in the I_d-V_ds characteristics and the device peak temperature depend upon both the biasing conditions and the substrate material type. Polarization effects are considered in the simulations, as they greatly influence electron transport in GaN/AlGaN HEMTs by creating a highly concentrated two-dimensional electron gas (2DEG) at the GaN/AlGaN interface. It is shown that a higher 2DEG density provides the devices with a better current handling capability but also increases the importance of the thermal effects     

Recessed-gate structure approach toward normally off high-Voltage AlGaN/GaN HEMT for power electronics applications

A recessed-gate structure has been studied with a view to realizing normally off operation of high-voltage AlGaN/GaN high-electron mobility transistors (HEMTs) for power electronics applications. The recessed-gate structure is very attractive for realizing normally off high-voltage AlGaN/GaN HEMTs because the gate threshold voltage can be controlled by the etching depth of the recess without significant increase in on-resistance characteristics. With this structure the threshold voltage can be increased with the reduction of two-dimensional electron gas (2DEG) density only under the gate electrode without reduction of 2DEG density in the other channel regions such as the channel between drain and gate. The threshold-voltage increase was experimentally demonstrated. The threshold voltage of fabricated recessed-gate device increased to -0.14 V while the threshold voltage without the recessed-gate structure was about -4 V. The specific on-resistance of the device was maintained as low as 4 m/spl Omega//spl middot/cm/sup 2/ and the breakdown voltage was 435 V. The on-resistance and the breakdown voltage tradeoff characteristics were the same as those of normally on devices. From the viewpoint of device design, the on-resistance for the normally off device was modeled using the relationship between the AlGaN layer thickness under the gate electrode and the 2DEG density. It is found that the MIS gate structure and the recess etching without the offset region between recess edge and gate electrode will further improve the on-resistance. The simulation results show the possibility of the on-resistance below 1 m/spl Omega//spl middot/cm/sup 2/ for normally off AlGaN/GaN HEMTs operating at several hundred volts with threshold voltage up to +1 V.     

AlGaN/GaN异质结构中二维电子气的高温输运性质

采用高温Hall测量仪对一个全应变和一个部分应变弛豫的AlGaN/GaN异质结构中2DEG的高温输运特性进行了研究,温度变化范围从室温到680K.研究结果表明:在高温段2DEG的迁移率主要受LO声子散射限制; 在室温,异质界面处的非均匀压电极化场对2DEG迁移率的散射也是一个主要的散射机制.同时,计算结果显示,随着温度升高,更多的电子跃迁到更高的子带,在更高的子带,其波函数逐渐扩展到AlGaN层内部以及GaN体内更深的位置,导致LO声子散射的屏蔽效应减弱且来自AlGaN层内的合金无序散射增强.     

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.     

MOCVD生长的SiC衬底高迁移率GaN沟道层AlGaN/AlN/GaN HEMT结构

用MOCVD技术在高阻6H-SiC衬底上研制出了具有高迁移率GaN沟道层的AlGaN/AlN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)结构材料,其室温和80K时二维电子气迁移率分别为1944和11588cm2/(V·s),相应二维电子气浓度为1.03×1013cm-2;三晶X射线衍射和原子力显微镜分析表明该材料具有良好的晶体质量和表面形貌,10μm×10μm样品的表面粗糙度为0.27nm.用此材料研制出了栅长为0.8μm,栅宽为1.2mm的HEMT器件,最大漏极饱和电流密度和非本征跨导分别为957mA/mm和267mS/mm.     

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.     

增强型AlGaN/GaN HEMT器件工艺的研究进展

随着高压开关和高速射频电路的发展,增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)成为该领域内的研究热点。增强型GaN基HEMT只有在加正栅压才有工作电流,可以大大拓展该器件在低功耗数字电路中的应用。近年来,国内外对增强型GaN基HEMT阈值电压的研究主要集中以下两个方面:在材料生长方面,通过生长薄势垒、降低Al组分、生长无极化电荷的AlGaN/GaN异质材料、生长InGaN或p-GaN盖帽层,来控制二维电子气浓度;在器件工艺方面,采用高功函数金属、MIS结构、刻蚀凹栅、F基等离子体处理,来控制表面电势,影响二维电子气浓度。从影响器件阈值电压的相关因素出发,探讨了实现和优化增强型GaN基HEMT的各种工艺方法和发展方向。