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复合势垒高电子迁移率晶体管的研制与分析

作　者: 解露
导　师: 郝跃
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 复合势垒沟道耦合原位 Si3N4 电流崩塌
分类号: TN322
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

GaN基功率放大器的线性度是其应用于无线基站通讯系统的一个重要指标。获得较宽电压范围的高跨导区域是提高器件的线性度的基本要求。本文采用能带剪裁工程成功地制备了具有4V以上高跨导区电压摆幅的AlGaN缓冲层复合势垒高电子迁移率晶体管（HEMT）器件,为高线性度AlGaN/GaN HEMT器件的实现奠定了基础。本文首先通过自洽求解一维薛定谔/泊松方程,对复合势垒结构的能带图、载流子分布特性以及电子波函数进行了模拟仿真。模拟结果表明AlGaN缓冲层可以有效地抑制沟道电子向缓冲层的注入,显著地降低载流子在副阱中的分布,将激发态的波函数完全限制在两个沟道阱的耦合区中,可以有效地提高沟道耦合作用,改善器件的线性度;对复合势垒层厚度优化设计时,器件栅控能力主要依赖于主势垒层,阱之间耦合作用的调制则主要取决于副势垒。AlGaN/GaN HEMTs器件工作的稳定性和可靠性离不开表面钝化。原位生长具有与生俱来的高质量界面,界面态密度相对较小。本文在常规异质结构上采用MOCVD原位Si₃N₄钝化技术,成功地制备了具有较高电流水平的AlGaN/GaN HEMT器件,器件的饱和电流为928mA/mm@Vg=0V,峰值跨导为234mS/mm,fT为20.5GHz,f_max为35.75GHz。Si₃N₄层改善了器件欧姆接触特性和肖特基特性,显著地降低了缓冲层漏电,可以在不改变原有工艺的基础上流片。对原位Si₃N₄层钝化HEMT器件的栅延迟和电流崩塌测试结果表明,Si₃N₄层钝化了器件表面的陷阱,可以有效地抑制器件的电流崩塌效应。本文着重开展了复合势垒HEMT器件的制备和特性分析。复合势垒结构能够有效地抑制栅泄漏电流并显著地降低器件的电流崩塌效应。CV测试结果表明器件存在强耦合阱,副阱由于AlGaN缓冲层引起的导带提升,载流子密度很低。栅后低温退火改善了器件的击穿特性,因为退火钝化了部分的快态陷阱。退火后金属与AlGaN材料表面形成紧密的肖特基接触,电子通过陷阱隧穿的通道减少,肖特基特性得到改善。器件变温测试结果表明器件在所测试的温度区间内有很好的热稳定性,这主要得益于AlGaN缓冲层对电子限域能力的改善,抑制了高温时电子向缓冲层的溢出。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 GaN 材料及异质结的研究进展  10-13
    1.1.1 GaN 宽禁带半导体材料及其器件的研究意义  10-11
    1.1.2 AlGaN/GaN HEMT 的发展  11-13
  1.2 复合势垒HEMT 器件的研究意义  13-14
  1.3 原位生长Si_3N_4 帽层的研究意义  14
  1.4 本文研究内容及安排  14-18
第二章 GaN基HEMT器件的工作原理与模拟仿真  18-32
  2.1 AlGaN/GaN HEMT 器件工作原理  18-21
  2.2 复合势垒HEMT 材料生长和模拟仿真  21-30
    2.2.1 缓冲层材料对复合势垒结构的影响  22-25
    2.2.2 势垒层结构对复合势垒结构的影响  25-28
    2.2.3 基于Silvaco 系统的复合势垒HEMT 器件仿真  28-30
  2.3 本章小结  30-32
第三章 AlGaN/GaN HEMT 器件制备工艺及改进  32-48
  3.1 AlGaN/GaN HEMT 器件制备工艺流程  32-37
    3.1.1 刻蚀工艺  33
    3.1.2 欧姆接触  33-35
    3.1.3 肖特基接触  35-36
    3.1.4 钝化  36-37
  3.2 表面钝化的工艺改进  37-42
    3.2.1 原位Si_3N_4 钝化异质结材料生长  37-38
    3.2.2 原位Si_3N_4 层对欧姆接触的影响  38-40
    3.2.3 原位Si_3N_4 层对肖特基特性的影响  40-42
  3.3 原位Si_3N_4 钝化的AlGaN/GaN HEMT 器件性能分析  42-47
    3.3.1 原位Si_3N_4 层钝化对器件直流特性的改善  42-44
    3.3.2 原位Si_3N_4 层钝化器件的频率特性  44-45
    3.3.3 原位Si_3N_4 层钝化对器件电流崩塌效应的抑制  45-47
  3.4 本章小结  47-48
第四章复合势垒HEMT器件性能分析  48-66
  4.1 复合势垒HEMT 器件的直流特性  48-53
    4.1.1 复合势垒HEMT 器件的直流特性分析  48-51
    4.1.2 低温快速退火对复合势垒HEMT 器件电学特性的影响  51-53
  4.2 复合势垒HEMT 器件的可靠性分析  53-58
    4.2.1 复合势垒HEMT 器件的栅脉冲测试  54-55
    4.2.2 复合势垒HEMT 器件的电流崩塌效应  55-58
  4.3 复合势垒HEMT 器件的变温特性  58-64
    4.3.1 复合势垒HEMT 器件变温直流特性  58-61
    4.3.2 复合势垒HEMT 器件变温CV 特性研究  61-64
  4.4 本章小结  64-66
第五章结束语  66-68
致谢  68-70
参考文献  70-80
作者攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目  80-81

复合势垒高电子迁移率晶体管的研制与分析

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