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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
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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。
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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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