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.     

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。     

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 SBD的正向导通特性研究

主要研究了横向AlGaN/GaN异质结肖特基势垒二极管(简称SBD)的正向导通特性,设计制备了基于蓝宝石衬底和硅衬底的不同器件结构的AlGaN/GaN SBD器件。测量结果表明,通过适当改变肖特基-欧姆电极布局,以及在导电衬底上施加相应的偏压,可以有效改善器件的正向导通特性。实验所制备的肖特基电极半径为120μm、肖特基-欧姆电极间距为25μm的基于Al2O3衬底的AlGaN/GaN SBD器件,实现了正向导通电流0.05A@2V(Ron=9.13mΩ·cm2)、反向饱和漏电流为10-6 A的性能。对制备的硅基AlGaN/GaN SBD器件的测试发现,通过外加衬底偏压能够有效改善其正向导通特性。     

GaN基肖特基势垒二极管的漏电流传输与退化机制

通过比较反向偏压下AlGaN/GaN异质结肖特基势垒二极管(SBD)和GaN SBD的电流特性、电场分布和光发射位置,研究了GaN基SBD的漏电流传输与退化机制。结果表明,AlGaN/GaN SBD退化前后漏电流均由Frenkel-Poole(FP)发射机制主导,而GaN SBD低场下为FP发射电流,高场下则为Fowler-Nordheim(FN)隧穿电流。电场模拟和光发射测试结果表明,引起退化的主要原因是高电场,由于结构不同,两种SBD的退化机制和退化位置并不相同。根据实验结果,提出了一种高场FN隧穿退化模型,该模型强调应力后三角势垒变薄导致FN隧穿增强是GaN SBD退化的内在机制。     

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。     

GaN基SBD功率器件研究进展

作为第三代宽禁带半导体器件,GaN基肖特基势垒二极管(SBD)功率器件具有耐高温、耐高压和导通电阻小等优良特性,在功率器件方面具有显著的优势。概述了基于功率应用的GaN SBD功率器件的研究进展。根据器件结构,介绍了基于材料特性的GaN SBD和基于AlGaN/GaN异质结界面特性的GaN异质结SBD。根据器件结构对开启电压的影响,对不同阳极结构器件进行了详细的介绍。阐述了不同的肖特基金属的电学特性和热稳定性。分析了表面处理,包括表面清洗、表面等离子体处理和表面钝化对器件漏电流的影响。介绍了终端保护技术,尤其是场板技术对击穿电压的影响。最后探讨了GaN基SBD功率器件未来的发展趋势。     

基于T型阳极场板下梯度掺杂的多通道AlGaN/GaN肖特基二极管的研究

为了降低微波无线能传输系统(MWPT)整流电路模块的能量损耗,使用AlGaN/GaN异质结肖特基二极管(SBD)可以有效地降低整流损耗。本文设计了一种高性能多通道SBD结构,其具有四个周期性重复AlGaN/GaN的异质结构。为了提高器件的反向特性,使用T型阳极和对不同的AlGaN势垒层采用不同掺杂浓度的方式。这种独特的多通道器件结构正向特性有了显著提升,导通电阻降低了74%,达到了2Ω·mm,导通电压降低了57%,达到了0.31 V。由于T型阳极和独特的Si掺杂方式,该结构的击穿电压达到了300 V。     

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/AlGaN双异质结材料生长及性质研究

基于能带理论设计并利用MOCVD技术在76.2 mm蓝宝石衬底上生长了不同GaN沟道层厚度的AlGaN/GaN/AlGaN双异质结材料.室温霍尔测试结果表明:双异质结材料的二维电子气面密度随沟道层厚度增加有所升高并趋于饱和;二维电子气迁移率则随沟道厚度增加明显升高.200 nm厚GaN沟道的双异质结材料方块电阻平均值3...     

Punchthrough-Voltage Enhancement of AlGaN/GaN HEMTs Using AlGaN Double-Heterojunction Confinement

In this paper, we present an enhancement of punchthrough voltage in AlGaN/GaN high-electron-mobility-transistor devices by increasing the electron confinement in the transistor channel using an AlGaN buffer-layer structure. An optimized electron confinement results in a scaling of punchthrough voltage with device geometry and a significantly reduced subthreshold drain leakage current. These beneficial properties are pronounced even further if gate-recess technology is applied for device fabrication. Physical-based device simulations give insight in the respective electronic mechanisms.      

AlGaN MSM紫外探测器

用通过MOCVD生长的未掺杂的n-Al0．3Ga0．7N制备了金属-半导体-金属 (MSM)结构紫外探测器。器件在2．5V偏压时的暗电流为1pA,在6．5V偏压时的暗电流为1nA．在1V偏压下和298nm波长处,探测器的电流响应率为0.038A／W,在300nm 波长处有陡峭的截止边,这与文献中介绍的AlxGa1-xN探测器在x=0．3时截止波长为 300nm相一致。     

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。     

AlGaN中的应变状态

用X射线衍射和卢瑟福背散射方法研究了生长在GaN上厚度为570nm 的AlxGa1-xN外延层中的应变状态. 实验结果显示AlGaN的共格因子在组分小于0.42时随组分的增加而近似线性减小，并且在0.42时达到30%，此后随组分的增加变化较慢，在x＝1(AlN)时接近0. 在本实验条件中，由于GaN层处于压应变状态，导致与AlGaN外延层的失配变小，使得组分约为0.16的AlxGa1-xN外延层可以共格生长在GaN层上.     

AlGaN中的应变状态

用X射线衍射和卢瑟福背散射方法研究了生长在GaN上厚度为570nm的AlxGa1-xN外延层中的应变状态.实验结果显示AlGaN的共格因子在组分小于0.42时随组分的增加而近似线性减小,并且在0.42时达到30%,此后随组分的增加变化较慢,在x=1(AlN)时接近0.在本实验条件中,由于GaN层处于压应变状态,导致与AlGaN外延层的失配变小,使得组分约为0.16的AlxGa1-xN外延层可以共格生长在GaN层上.     

AlGaN中的应变状态

用X射线衍射和卢瑟福背散射方法研究了生长在GaN上厚度为570nm的AlxGa1-xN外延层中的应变状态.实验结果显示AlGaN的共格因子在组分小于0.42时随组分的增加而近似线性减小,并且在0.42时达到30%,此后随组分的增加变化较慢,在x=1(AlN)时接近0.在本实验条件中,由于GaN层处于压应变状态,导致与AlGaN外延层的失配变小,使得组分约为0.16的AlxGa1-xN外延层可以共格生长在GaN层上.     

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。     

Influence of AlGaN deep level defects on AlGaN/GaN 2-DEG carrierconfinement

We have used low energy electron-excited nanoscale luminescence spectroscopy (LEEN) to detect the defects in each layer of AlGaN/GaN HEMT device structures and to correlate their effect on two-dimensional electron gas (2-DEG) confinement. We investigated AlGaN/GaN heterostructures with different electrical properties using incident electron beam energies of 0.5 to 15 keV to probe electronic state transitions within each of the heterostructure layers. AlGaN heterostructures of 25 nm thickness and nominal 30% Al concentration grown on GaN buffer layers on sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy exhibited a range of polarization-induced electron densities and room temperature mobilities. In general, the spectra exhibit AlGaN band edge emission at ~3.8 eV or ~4.0 eV, GaN band edge emission at ~3.4 eV, yellow luminescence (YL) features at 2.18 eV and 2.34 eV, and a large emission in the infrared (<1.6 eV) from the GaN cap layer used to passivate the AlGaN outer surface. These heterostructures also show high strain in the 2 nm-thick GaN layer with evidence for a Franz-Keldysh red shift due to piezoelectric charging. The LEEN depth profiles reveal differences between the structures with and without 2-DEG confinement and highlight the importance of AlGaN defects in the near 2-DEG region     

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.