AlGaN/GaN HFET的2DEG和电流崩塌研究(Ⅱ)

4 AlGaN/GaN HFET电流崩塌的机理 电流崩塌(图8)是AlGaN/CaN HFET存在的特殊问题也是能否走向实用化的关键问题.图中,Ⅰdsmo和Ⅰdsmf、Vko和Vkf分别代表直流和射频条件下的源漏饱和电流和饱和(膝)电压.     

AlGaN/GaN异质结场效应晶体管的阈值电压

利用AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(AlGaN/GaN HFET)栅结构的电容-电压(C-V)特性确定AlGaN/GaN HFET的阈值电压.通过对模拟计算得到的AlGaN/GaN HFET电流-电压(I-V)特性曲线与测试得到的AlGaN/GaN HFET曲线比较分析,证实了依据AlGaN/GaN HFET栅结构的C-V特性曲线的微分极值点确定阈值电压是一种切实可行的方法.     

AlGaN/GaN异质结场效应晶体管的阈值电压

利用AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(AlGaN/GaN HFET)栅结构的电容-电压(C-V)特性确定AlGaN/GaN HFET的阈值电压.通过对模拟计算得到的AlGaN/GaN HFET电流-电压(I-V)特性曲线与测试得到的AlGaN/GaN HFET曲线比较分析,证实了依据AlGaN/GaN HFET栅结构的C-V特性曲线的微分极值点确定阈值电压是一种切实可行的方法.     

2.4um源漏间距的高性能AlGaN/GaN HEMTs

本文报道了具有2.4um源漏间距的AlGaN/GaN HEMTs。这是目前利用国内材料和工艺制作的最小源漏间距的AlGaN/GaN HEMTs。本文还详细比较了源漏间距2.4um和4um器件的电特性。相比之下,2.4um源漏间距AlGaN/GaN HEMTs的漏电流、跨导、增益、输出功率和效率明显提高,更具意义的是器件的最大震荡频率有较大提高。     

凹栅AlGaN/GaN HFET

研究了总栅宽为100μm栅凹槽结构的AlGaN/GaN HFET,采用相同的外延材料,凹槽栅结构器件与平面栅结构器件比较其饱和电流变化小,跨导由260.3mS/mm增加到314.8mS/mm,n由2.3减小到1.7,栅极漏电减小一个数量级.在频率为8GHz时,负载牵引系统测试显示,当工作电压增加到40V,输出功率密度达到11.74W/mm.     

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。     

fT为102 GHz的蓝宝石衬底AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

研究了一款高性能的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件(HEMT),器件基于在蓝宝石衬底上外延生长的AlGaN/GaN异质结构HEMT材料,器件栅长为86 nm,源漏间距为0.8μm。电子束光刻实现T型栅和源漏,保证了器件小的栅长和高的对准精度。制备的器件显示了良好的直流特性和射频特性,在栅偏压为0 V时漏电流密度为995 mA/mm,在栅源电压Vgs为-4.5 V时,最大峰值跨导为225 mS/mm;器件的电流增益截止频率fT和最大振荡频率fmax分别为102和147 GHz。高fT值一方面得益于小栅长,另一方面由于小源漏间距减小了源漏沟道电阻。     

蓝宝石衬底AlGaN/GaN HFET功率特性

通过台面隔离与注入隔离结合的方法,解决了由于GaN外延材料缓冲层质量差造成的AlGaN/GaN HFET击穿电压低的问题.通过优化的500℃/50s栅退火条件,改善Ni-AlGaN/GaN二极管特性,理想因子和势垒高度分别优化到1.5和0.87eV.通过改进AlGaN/GaN HFET制备工艺,得到提高器件输出功率的优化工艺,采用这一工艺制备的蓝宝石衬底总栅宽为1mm,器件在频率为8GHz时输出功率达到4.57W,功率附加效率为55.1%.     

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.     

三种纵向结构的AlGaN/GaN HFET性能比较

对AlGaN/GaN HFET纵向的常规结构、倒置结构和双异质结进行了研究,结果表明:常规结构的材料生长简单、容易控制,倒置结构的直流性能低于常规结构,而双异质结虽然在材料生长方面较为复杂,但它可以获得较常规结构更为优良的直流特性.     

AlGaN/GaN HEMT低温直流特性研究

研究了20℃～-70℃栅宽为100μm、栅长为1μm的AlGaN/GaN HEMT的直流特性.随温度降低，电子迁移率增大，而二维电子气密度基本不变，HEMT饱和漏电流IDsat增大;阈值电压低温时有所下降，在一定温度范围内变化不明显，其原因除栅肖特基势垒高度、AlGaN/GaN导带差发生变化外，还可能与器件制备工艺和源极串联电阻有关。     

F等离子体处理 AlGaN/GaN HEMT击穿电压和电流崩塌研究

F等离子体处理工艺被广泛的应用于 AlGaN/GaN HEMT增强型器件的研制和栅前处理工艺。本文研究了低功率F处理 AlGaN/GaN HEMT的击穿特性和电流崩塌特性。随着F处理时间的增加,饱和电流下降,阈值电压正向移动。对不同F处理时间的器件肖特基特性分析后发现,120s的F处理后器件栅泄漏电流明显减小,器件击穿电压提高,当F处理时间大于120s后,由于长时间F处理带来的损伤器件栅泄漏电流没有继续减小。采用不同偏置下的双脉冲测试对不同F处理时间的电流崩塌特性进行了研究,低功率F处理后没有发现明显的电流崩塌现象。     

RF-MBE生长AlGaN/GaN极化感应二维电子气材料

用射频等离子体辅助分子束外延技术(RF-MBE)在C面蓝宝石衬底上外延了高质量的GaN膜以及AlGaN/GaN极化感应二维电子气材料.所外延的GaN膜室温背景电子浓度为2×1017cm-a,相应的电子迁移率为177cm2/(V·s);GaN(0002)X射线衍射摇摆曲线半高宽(FWHM)为6′;AlGaN/GaN极化感应二维电子气材料的室温电子迁移率为730cm2/(V·s),相应的电子气面密度为7.6×1012cm-2;用此二维电子气材料制作的异质结场效应晶体管(HFET)室温跨导达50mS/mm(栅长1μm),截止频率达13GHz(栅长0.5μm).     

三种纵向结构的AlGaN/GaN HFET性能比较

对AlGaN/GaN HFET纵向的常规结构、倒置结构和双异质结进行了研究，结果表明：常规结构的材料生长简单、容易控制，倒置结构的直流性能低于常规结构，而双异质结虽然在材料生长方面较为复杂，但它可以获得较常规结构更为优良的直流特性.     

栅脉冲下AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应研究

源于AlGaN/GaNHEMT器件的大量测试分析发现,栅脉冲条件下漏极电流比直流情况下减小了47%;随着信号频率的改变,漏极电流按μnCoxW[α (0.13 0.64f)VGS (0.13 0.32 f)VGS2](VGS-Vth)2/L的规律变化;脉冲信号宽度对漏电流崩塌影响较小.基于实验结果的理论分析认为,电子从栅极注入到栅漏之间并被表面态所俘获,在沟道中形成增加的耗尽层,使得沟道二维电子气浓度减小,从而导致形成电流崩塌效应的主要原因之一.该结论有助于AlGaN HEMT器件脉冲条件下电流崩塌效应理论解释和器件应用.     

影响AlGaN/GaN HFET器件二维电子气的若干因素

基于Sentaurus Workbench(SWB)TCAD可制造性设计平台进行AlGaN/GaN器件的结构设计和仿真,并对影响二维电子气的重要参数因素进行了研究及优化,诸如AlGaN势垒层中Al组分x、AlGaN势垒层厚度h、应变弛豫度r和栅偏压Vg等因素。参数相关性的制约结果,无疑会反映在对器件物理特性的制约及影响上。研究结果表明,在一定条件下增大势垒层中Al组分和势垒层厚度可以提高器件的电流传输特性。然而随着二者的不断增大将会引起应变弛豫的发生,而应变弛豫的发生会降低器件的性能。     

RF-MBE生长AlGaN/GaN极化感应二维电子气材料

用射频等离子体辅助分子束外延技术 (RF- MBE)在 C面蓝宝石衬底上外延了高质量的 Ga N膜以及 Al Ga N/Ga N极化感应二维电子气材料 .所外延的 Ga N膜室温背景电子浓度为 2× 10 1 7cm- 3 ,相应的电子迁移率为 177cm2 /(V· s) ;Ga N (0 0 0 2 ) X射线衍射摇摆曲线半高宽 (FWHM)为 6′;Al Ga N/Ga N极化感应二维电子气材料的室温电子迁移率为 730 cm2 /(V· s) ,相应的电子气面密度为 7.6× 10 1 2 cm- 2 ;用此二维电子气材料制作的异质结场效应晶体管 (HFET)室温跨导达 5 0 m S/mm (栅长 1μm) ,截止频率达 13GHz(栅长 0 .5 μm)     

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。     

大电流密度高性能AlGaN/GaN HEMT器件研制

在SiC衬底上制备得到了表面钝化氮化硅(SiN)的AlGaN/Ga N高电子迁移率场效应晶体管(HEMTs)。采用高电子浓度的AlGaN/GaN异质结材料、90 nm T型栅、100 nm SiN表面钝化、低欧姆接触以及较短漏源间距等方法来提升器件性能。在Vgs=4 V时器件的最大漏源饱和电流密度为1.72 A/mm,最大跨导为305 m S/mm,此结果为国内报道的AlGaN/GaN HEMT器件最大漏源饱和电流密度。此外,栅长为90 nm T型栅器件的电流增益截止频率(fT)为109GHz,最大振荡频率(fmax)为144 GHz。