GaN HFET沟道热电子隧穿电流崩塌模型

研究了GaN HFET中沟道热电子隧穿到表面态及表面态电子跃迁到表面导带两种跃迁过程及其激活能.从沟道热电子隧穿过程出发,提出了新的电流崩塌微观模型.用该微观模型解释了光离化谱、DLTS、瞬态电流及电流崩塌等各类实验现象.研究了各种异质结构的不同电流崩塌特性,在此基础上讨论了无电流崩塌器件的优化设计.     

GaN HFET沟道热电子隧穿电流崩塌模型

研究了GaN HFET中沟道热电子隧穿到表面态及表面态电子跃迁到表面导带两种跃迁过程及其激活能.从沟道热电子隧穿过程出发,提出了新的电流崩塌微观模型.用该微观模型解释了光离化谱、DLTS、瞬态电流及电流崩塌等各类实验现象.研究了各种异质结构的不同电流崩塌特性,在此基础上讨论了无电流崩塌器件的优化设计.     

GaN HFET加应力后的虚栅和亚稳态能带

使用双曲函数拟合描绘出从应力偏置转换到测试偏置后，不同时刻的表面电势、电场强度和电场梯度的动态弛豫过程。计算出这一偏置转换引发的亚稳态能带。亚稳态能带的弛豫过程描绘出沟道夹断后的异质结充电过程。亚稳态能带计算证明外沟道中的强场峰、电场梯度峰、能带谷和能带峰都由局域电子气电荷引起，局域电子气的慢输运行为延缓了异质结充电过程，拉长了偏置转换中的亚稳态能带转换弛豫。当负应力栅压向空间电荷区注入电子给陷阱充电时，陷阱电荷叠加在局域电子气电荷上，强化了能带畸变和电流崩塌。由此提出涉及异质结能带转换的新虚栅模型。在新虚栅模型下异质结能带变化引发的电子气状态变化比旧虚栅模型中的电子耗尽作用强得多，据此能够解释从漏控DLTS测得的外沟道陷阱密度比栅控DLTS测得的内沟道陷阱密度大1～2个数量级的实验结果。使用涉及能带转换的新虚栅模型讨论了GaN HFET研究中的电流崩塌、3 mm场效应管及可靠性难题。提出二维异质结构用异质结鳍来研制场效应管的新课题。     

GaN HFET中局域电子气产生的动态电流

从不同栅电压下异质结能带和电子气状态研究出发,研究了GaN HFET栅压变化时的异质结充放电过程。通过自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程计算出不同偏置电压下内、外沟道的导带底。引入局域电子气势垒来甄别沟道中的漂移电子气和局域电子气的不同输运行为。详细研究了栅、漏偏置变化时的异质结充放电和局域电子气充放电。从这两种新的充放电效应出发,建立起描述沟道动态电流的电压控制模型,成功解释了陷阱俘获电荷模型不能解释的各类动态电流实验。     

AlGaN/GaN二维电子气的特性研究

应用 Al Ga N/Ga N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 ,求出了异质结能带和二维电子气分布。研究了势垒层组分比、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特性的控制作用 ,提出了使用薄势垒和重掺杂沟道的新 HFET结构     

AlGaN/GaN HFET的优化设计

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发研究了不同掺杂方式下异质结能带和二维电子气的行为。发现掺杂能剪裁异质结能带的弯曲度、控制电子气的二维特性和浓度。在此基础上研究了不同掺杂方式的掺杂效率。通过掺杂和势垒结构的优化设计,得出了用δ掺杂加薄AlN隔离层的结构,既提高了电子气浓度,又保持电子气的强二维特性。从电子气浓度和栅对电子气的控制力度出发,提出了HFET势垒优化设计中的电子气浓度与势垒层厚度乘积规则。依据二维表面态理论,研究了表面态随帽层掺杂结构的变化。从前述乘积规则和表面态变化出发进行了内、外沟道异质结构的优化设计。优化结构既提高了电子气浓度和跨导,降低了欧姆接触电阻,又抑制了电流崩塌。     

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。     

GaN HFET中的陷阱和局域电子气

研究了GaN HFET中陷阱的各种行为,发现许多特性不能简单地用陷阱中心俘获带内电子模型来解释。从内、外沟道陷阱密度的巨大差异推出外沟道高密度陷阱不是由陷阱中心俘获带内电子产生的。通过自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程发现栅-漏间隙中的强场峰在其两侧产生巨大能带畸变,使部分二维电子气不能通过强场峰而形成局域电子气。运用这一局域电子气新概念解释了目前实验中观察到的各类陷阱实验,说明目前陷阱研究把高密度局域电子气误认为"陷阱"而引入的各种误解。提出了从局域电子气研究来解决GaN HFET电流崩塌和可靠性难题的新途径。     

Ⅲ族氮化物及其二维电子气输运特性的研究进展

Ⅲ族氮化物半导体具有宽禁带和直接带隙 ,导带能谷间距大 ,强场输运特性好。Al Ga N/Ga N异质结产生高密度的二维电子气 ,屏蔽了杂质和缺陷的散射 ,改善了低场输运性能。它弥补了宽禁带半导体输运性能差的缺点 ,已研制成大功率的 HFET。利用强场下的速度过冲有望消除阴极端的速度凹坑 ,显著改进器件性能。电子气的强二维性使输运特征依赖于器件结构和工作状态 ,器件设计变为一个剪裁电子状态和输运特性的复杂工程。文中综述了 族氮化物及其二维电子气的输运特性 ,讨论了从输运特性出发 ,优化 HFET性能的问题。     

氮化物异质结电子气的二维特性和迁移率

从自洽求解薛定谔方程出发,计算了氮化物异质结中的二维电子气、退局域态和二维表面态。研究了电子气二维特性与迁移率间的关联。用电子气的二维特性和沟道电子向表面态溢出模型解释了室温和低温下迁移率随电子浓度变化的行为。以电子迁移率与异质结构间的关联为依据,提出了优化设计异质结构来增大电子迁移率和降低迁移率随电子浓度变化的新思路。     

GaN HFET沟道层中的慢输运电子态和射频电流崩塌

从电极偏置环境、二维异质结能带及沟道电子状态的研究出发,发现了沟道中存在具有不同输运特性的高能正常电子和低能慢电子,建立起新的慢电子电流崩塌模型。在器件射频工作中通过正常输运电子到慢电子的转换过程解释了射频电流崩塌行为。沟道中的慢电子是产生射频电流崩塌的真正缘由。运用这一慢电子电流崩塌模型解释了目前用耗尽模型不能解释的大量实验结果。最后提出了通过异质结构优化设计来消除慢电子,解决电流崩塌难题的新途径。     

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 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。     

GaN HFET沟道中的电子态转换和沟道右势垒剪裁

在分析AIGaN／GaN沟道阱中电子迁移率、截止频率fT和噪声性能随电子气密度变化的基础上，研究了沟道电子态随电子密度的变化。发现在高电子密度下电子会向量子限制较弱的退局域态转移。同时还经由热电子隧穿而跃迁到表面态。在低电子密度下，沟道阱产生畸变而蜕化为三维态。运用这一电子态转换模型解释了输运噪声特性随电子气密度的变化。最后指出剪裁沟道右势垒可以弱化高、低电子气密度下输运和噪声性能的衰退。     

微波功率AlGaN/GaN HFET的二维能带和异质结构设计

在综述微波功率AlGaN/GaN HFET技术发展趋势基础上,提出了二维异质结能带优化设计的新课题.从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发研究了利用异质界面上的极化电荷来剪裁异质结能带.用极化电荷设计近矩形前势垒能增大高能热电子的隧穿势垒宽度,抑制电流崩塌.背势垒中的极化电荷强化了沟道阱的量子限制,减弱了沟道中的强场峰,能提高击穿电压和抑制电流崩塌.薄势垒层中的极化电荷强化了沟道阱的结构,降低势垒高度后能产生高密度的电子气.优化设计二维异质结构能抑制沟道中的强场峰和电流崩塌,提高击穿电压和大漏压下的输出功率.     

GaN异质结的二维表面态

提出了氮化物表面强极化电荷产生薄吸附层形成的二维表面态新模型. 从薛定谔方程和泊松方程的自洽计算中得到了新的二维表面态. 计算了不同吸附层能带带阶、厚度和表面势下的表面状态,研究了表面态与异质结构间的关联. 算得的表面能级同实验测量数据相吻合. 用该态模型解释了氮化物产生高密度表面态的原因和深表面能级与较浅的瞬态电流激活能间的矛盾.     

Properties of 2D electron gas in AlGaAs/GaAs heterojunctions with thin AlGaAs layers

Transport properties of a 2D electron gas located at a short distance from the surface (15–32.5 nm) in an AlGaAs/GaAs heterojunction were studied. A pronounced effect of the surface on the behavior of the conductivity of the 2D electron gas, as well as metallic gate screening of the scattering of two dimensional electrons by charged centers, were observed.     

InGaN背势垒AlGaN/GaN HEMT中的电流崩塌研究

Current collapses were studied,which were observed in AlGaN/GaN high electron mobility transistors(HEMTs) with and without InGaN back barrier(BB) as a result of short-term bias stress.More serious drain current collapses were observed in InGaN BB AlGaN/GaN HEMTs compared with the traditional HEMTs.The results indicate that the defects and surface states induced by the InGaN BB layer may enhance the current collapse.The surface states may be the primary mechanism of the origination of current collapse in AlGaN/GaN HEMTs for short-term direct current stress.