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介质调制AlGaN/GaN增强型器件模拟研究

作 者: 张旻
导 师: 张继华
学 校: 电子科技大学
专 业: 电子科学与技术
关键词: 介质调制 增强型 AlGaN/GaN异质结
分类号: TN386
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 52次
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内容摘要


当前AlGaN/GaN异质结器件中,由于天然存在的高浓度二维电子气(2DEG),使得大部分的器件都属于耗尽型器件。尽管人们已经探索出来一些实现增强型器件的方法,但尚未从理论上系统研究。针对这一问题,本文考虑离子注入、栅介质及铁电栅等作用完善了AlGaN/GaN异质结器件的电荷控制模型。通过数值模拟的方法,探寻了利用栅介质对器件特性进行调制,并实现增强型器件的三类方法。通过对三类模型分别模拟计算分析,对调制方法、实现条件、各自优缺点进行了系统的分析和总结。主要研究结果如下:第一类为利用离子掺杂栅介质调制实现增强型器件。主要利用了掺杂了杂质离子的栅介质对沟道进行调制。分别计算了SBA(Na:β-Al2O3)和F-处理Al2O3作为栅介质的MIS HEMT的2DEG特性。发现SBA可使器件的阈值电压右移,但难以真正实现增强型器件。而计算得到的F-离子注入的F:Al2O3/AlGaN/GaN可实现器件阈值电压为+0.7V。对掺杂浓度、离子注入深度等方面的控制和调整,阈值电压可以有进一步优化的效果。第二类为不同介电系数栅介质MOS HEMT实现增强型器件。减薄AlGaN势垒层可有效使阈值电压正向移动。耗尽型向增强型器件转变的临界厚度为7nm左右。这与实验结果一致。通过对比发现,选用低k材料更容易将沟道电子耗尽。回避了减薄AlGaN势垒层会减小饱和电流的弊端,可更好地满足实际使用的要求。第三类为铁电栅介质调制实现增强型器件。利用铁电材料作为栅介质,利用铁电材料外加电压下极化反转的特性,实现对沟道极化诱导二维电子气的调制。研究发现,尽管钙钛矿铁电材料的极化强度大,但由于介电系数较大,很难有效耗尽沟道2DEG;而低介电系数的铁电栅介质则可实现增强型器件。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-16
  1.1 AlGaN/GaN 异质结器件的起源  9-11
  1.2 AlGaN/GaN 异质结HEMT 器件的特性  11-12
  1.3 AlGaN/GaN 异质结HEMT 器件的发展现状  12-13
  1.4 目前的问题  13-14
  1.5 本文主要工作  14-16
第二章 介质层/AlGaN/GaN 异质结二维电子气的电荷控制模型  16-27
  2.1 AlGaN/GaN 二维电子气的电荷控制模型  16-17
  2.2 极化效应  17-19
  2.3 界面态因素  19-25
    2.3.1 界面态对能带及载流子浓度影响  21-23
    2.3.2 界面态对C-V 特性的影响  23-25
  2.4 C-V 特性及I-V 特性分析模型  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章 离子掺杂栅介质调制实现增强型HEMT 器件  27-41
  3.1 AlGaN 势垒层掺杂实现AlGaN/GaN 增强型器件  27-34
    3.1.1 能带变化  28-30
    3.1.2 注入浓度  30-32
    3.1.3 注入深度及分布  32-34
  3.2 离子掺杂栅介质调制实现AlGaN/GaN 增强型器件  34-40
    3.2.1 SBA 介质层SBA/AlGaN/GaN 结构  34-36
    3.2.2 F-注入介质层 F~-Al_2O_3/AlGaN/GaNAlGaN/GaN 结构  36-40
  3.3 本章小结  40-41
第四章 低k/中k/高k 栅介质MOS HEMT 实现增强型器件  41-53
  4.1 减薄AlGaN 厚度的要求  42-44
    4.1.1 AlGaN 厚度对阈值电压的影响  42-43
    4.1.2 AlGaN 厚度对能带及2DEG 浓度的影响  43-44
  4.2 肖特基势垒的作用  44-47
  4.3 低K 介质/AlGaN/GaN 实现增强型器件  47-48
  4.4 中K 介质/AlGaN/GaN 实现增强型器件  48
  4.5 高K 介质/AlGaN/GaN 实现增强型器件  48-49
  4.6 不同k 值材料栅介质器件特性比较  49-51
  4.7 本章小结  51-53
第五章 铁电栅介质调制实现增强型器件  53-62
  5.1 铁电极化对二维电子气的影响  53-54
  5.2 铁电极化对C-V 特性的影响  54-55
  5.3 铁电极化在栅压下的反转  55-58
  5.4 低k 值铁电栅介质PVDF/AlGaN/GaN  58-60
  5.5 低k 值铁电栅介质LiNbO_3/AlGaN/GaN  60-61
  5.6 本章小结  61-62
第六章 总结  62-64
致谢  64-65
参考文献  65-69
攻读硕士期间研究的成果  69-70

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 场效应器件
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