GaN基高电子迁移率晶体管研究进展

由于氮化镓(GaN)材料具有禁带宽度大、击穿电场强、饱和电子漂移速度高等优异的物理特性,GaN基功率电子器件逐渐取代硅基电子器件在高温、高压与高频等领域的应用。目前,由GaN及其合金材料制备的高电子迁移率晶体管(HEMT)是电力电子、无线通信和雷达等领域的核心器件。除此之外,利用GaN基HEMT可制备高灵敏度的检测器件,在生物和光电检测领域的应用也越来越广泛。但是,尽管GaN基HEMT的性能正不断取得突破,该器件的规模化应用仍受到电学可靠性问题的限制,本文重点阐述了GaN基HEMT的研究进展以及存在的电学可靠性问题。     

高电子迁移率晶体管的光照特性分析

以光照下耗尽型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ高电子迁移率晶体管为例,考虑了光生载流子对半导体内电荷 影响和光压效应,采用器件的电荷控制模型,分析了光照对器件夹断电压、二维电子气（２－ＤＥＧ）浓度、Ｉ－Ｖ特性以及跨导的影响,与无光照的情况相比较,夹断电压变小）绝对值变大）,二维电子浓度增大,从而提高了器件的电流增益,跨导对光照不敏感。     

场感应晶体管 Ⅰ-Ⅴ 特性的分析

本文对场感应晶体管的Ⅰ—Ⅴ特性进行了简单讨论后,给出了试验中所遇到的若干异常的Ⅰ—Ⅴ特性曲线.并分析了它所对应的有关电参数的劣化以及可能的物理工艺原因.     

GaN基高电子迁移率晶体管器件的可靠性及退化机制研究进展

GaN基高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor,HEMT）器件在航天、通讯、雷达、电动汽车等领域具有广泛的应用,近年来成为电力电子器件的研究热点。在实际应用中,GaN基HEMT器件随着使用时间的延长会发生退化甚至失效的情况,器件的可靠性问题仍是进一步提高HEMT器件应用的绊脚石。因此,研究器件的可靠性及退化机制对于进一步优化器件性能具有极其重要的意义。将从影响器件可靠性的几个关键因素如高电场应力、高温存储、高温电场和重离子辐照等进行阐述,主要对近几年文献里报道的几种失效机制及相应的失效现象进行了综述和总结,最后讨论了进一步优化器件可靠性的措施,对进一步提高HEMT器件的应用起促进作用。     

GaN基高电子迁移率场效应管的可靠性研究

虽然Ga N基高电子迁移率场效应管(HEMT)在高频大功率器件方面具有突出的优势并已经在应用领域取得了重要的进展,但由于Ga N基HEMT器件的材料缺陷密度高、高电场工作环境、Ga N基异质结特有的强极化效应以及工艺复杂等问题,使得Ga N基HEMT的可靠性问题十分突出。这些问题导致现有Ga N基HEMT器件的实际表现一直与其理论值有一定差距。因此,要想实现Ga N基HEMT器件全面、广泛的商业应用,必须对其可靠性做深入的研究分析。在该文中,我们利用不同的测试方法,从不同的角度对Al Ga N/Ga N HEMT的可靠性问题进行了研究。首先,我们观察并讨论了Al Ga N/Ga N HEMT器件输运过程中由载流子的俘获导致的Kink效应。实验表明:载流子俘获过程是由高场诱导的栅极电子注入到栅极下Al Ga N势垒层中深能级的过程;载流子的去俘获过程则是由沟道中的热电子碰撞离化被俘获的电子引起的。其次,我们对Ga N基HEMT器件进行了阶梯电压应力可靠性测试,并观察到了一个临界应力电压,超过这个临界电压后Al Ga N/Ga N HEMT可以从之前的低电压应力引起的退化中逐渐恢复。研究发现:低电压应力引起的器件的退化是由电子在表面态或者体缺陷中被俘获引起的;器件性能的恢复则是由于电场诱导的载流子去俘获机制。最后,我们利用不同的测试方法详细分析了关态下Al Ga N/Ga N HEMT的击穿特性和电流传输机制。我们在三端测试中观察到了与缓冲层相关的Al Ga N/Ga N HEMT的过早硬击穿现象;然后我们利用漏极注入测试方法验证了源-漏间缓冲层漏电的存在。分析结果表明缓冲层漏电是由电场引起的势垒下降、能带弯曲和缓冲层缺陷共同决定的。在电场足够高的时候,缓冲层漏电可以引起Al Ga N/Ga N HEMT过早发生硬击穿。     

0.5μm栅长HfO_2栅介质的GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管

为了抑制GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅极漏电,提出了一种0.5μm栅长的GaN金属氧化物半导体(MOS)高电子迁移率晶体管结构。该结构采用势垒层部分挖槽,并用高介电常数绝缘栅介质的金属氧化物半导体栅结构替代传统GaN HEMT中的肖特基栅。基于此结构制备出一种GaN MOSHEMT器件,势垒层总厚度为20nm,挖槽深度为15nm,栅介质采用高介电常数的HfO_2,器件栅长为0.5μm。对器件电流电压特性和射频特性的测试结果表明:所制备的GaN MOSHEMT器件最大电流线密度达到0.9 A/mm,开态源漏击穿电压达到75 V;与GaN HEMT器件相比,其栅极电流被大大压制,正向栅压摆幅可提高10倍以上,并达到与同栅长GaN HEMT相当的射频特性。     

AlGaN/GaN HEMT 微加速度计的设计和温度特性研究

采用一种新原理来设计AlGaN/GaN HEMT加速度计,从理论和实验两方面分析和验证了温度的变化对加速度计的输出特性带来的影响。测试了AlGaN/GaN基HEMT器件在常温下的Ⅰ-Ⅴ特性和在不同温度下输出特性的变化。结果表明,随着温度的升高,器件的饱和电流减小。根据计算速率约为0.027 mA/℃。加速度计可以在-50℃—50℃的温度安全稳定的工作。     

Pd/Pt修饰的AlGaN/GaN HEMT器件氢传感特性研究

制备了Pd/Pt修饰的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件.对器件的氢传感特性测试表明,Pd/Pt合金修饰的器件的氢响应和响应(恢复)速率要优于Pd和Pt单独修饰的器件,Pd和Pt质量比为2 mg∶1 mg的氢传感器具有最佳的氢传感性能.对吸附平衡的稳态分析进一步证实了这一结论.室温下氢体积分数为0.1%,氢气通入流速为200 mL/min时,Pd/Pt(2 mg∶1 mg)样品的电流变化为0.249 mA,响应时间和恢复时间分别为41 s和42 s.此外,测试温度增加到55℃也进一步提高了器件对氢气的响应和响应速率.     

p型栅结构氮化镓基高电子迁移率晶体管结构优化

为了简化后期栅极驱动电路设计、降低成本,工业界对增强型高电子迁移率晶体管的需求与日俱增.采用p型栅结构制备增强型器件的方法是目前极有前景的一种增强型方法.该方法致力于提高器件的正向阈值电压和输出饱和电流,通过Silvaco TCAD软件调节AlGaN势垒层厚度及其Al组分,仿真器件转移特性曲线和输出特性曲线.将AlGa...     

AlGaN/GaN异质结中极化效应的模拟

提出了一种将极化效应引入GaN基异质结器件模拟中的方法. 在传统器件模拟软件中, 通过在异质结界面插入d掺杂层, 利用其离化的施主或受主充当极化产生的固定电荷从而引入极化效应. 模拟了Ga面生长和N面生长的AlGaN/GaN单异质结, 结果显示只有前者在异质结界面有载流子限制效应, 而后者没有; Ga面生长的AlGaN/GaN异质结界面处自由电子面密度随Al组分以及AlGaN的厚度增加而增加. 以上模拟结果与其他报道中的实验以及计算结果一致, 说明该方法可有效地将极化效应引入GaN基异质结器件的模拟中.     

AlN/GaN量子阱中光学声子所限制的电子迁移率

在介电连续模型和单轴模型的框架下,采用雷-丁平衡方程理论,考虑量子阱中界面光学声子模和局域体光学声子模的影响,分别计算了纤锌矿型和闪锌矿型AlN/GaN量子阱中电子平行于异质结界面方向的迁移率,给出迁移率随阱宽的变化关系,并讨论了结构各向异性效应对电子迁移率的影响.     

不同钝化介质层对AlGaN/GaN异质结二维电子气密度的影响

试验用高分辨率X射线衍射仪(HRXRD)测定了不同介质层钝化后异质结势垒层AlGaN的附加应变,用范德堡霍尔效应测量法测定了不同介质层钝化后异质结二维电子气密度,发现AlN钝化层尽管给势垒层带来附加的压应变.但依然使二维电子气密度增大,借此讨论了钝化对势垒层表面态产生的影响,分析了钝化机制.     

不同衬底材料的ZnO/Si异质结Ⅰ-Ⅴ及光电特性

采用脉冲激光沉积(PLD)技术和微电子平面工艺,用不同表面掺杂的Si作为衬底制备了ZnO/Si异质结,并且以p-Si(p-)为衬底制备了ZnO(含Mn 0.2%)/Si异质结、包含SiC缓冲层的ZnO/SiC/Si和ZnO(含Mn 0.2%)/SiC/Si结构,测试了样品的XRD曲线、I-V特性曲线和P-E(光电响应)特性曲线.结果发现ZnO/n-Si结有很低的反向暗电流,SiC缓冲层能提高反向击穿电压,ZnO/p-Si(p+)异质结能有较强的光电响应,ZnO/ n-Si(n-)更适合作为大波段区间的光探测器.还发现波长470,480,490 nm处类似于声子伴线的光谱结构.     

用于功能陶瓷Ⅰ-Ⅴ特性测试的放大电路

采用由AD公司生产的AD620和AD711设计了微弱电流信号放大电路,并进行NiO气敏元件的Ⅰ-Ⅴ特性测量.测量结果与HP4140B皮安计的测量结果基本吻合,说明该微弱信号检测电路结构简单,稳定性好,精确度高,可用于高电阻率功能陶瓷材料的电性能的测量,并且具有通过调整编程电阻很方便地改变测量量程的优点.     

场板结构对AlGaN/GaN HFET电场分布的影响

场板结构可以有效抑制横向型HFET器件栅极边缘的电场集边效应,降低尖峰电场峰值,从而大幅提高器件的耐压特性。利用Sentaurus TCAD工具,构建具有场板结构的HFET器件,研究了场板长度和钝化层的厚度对器件沟道电场分布的影响,归纳出场板结构设计的基本规律和一般方法。     

基于电导法的GaN/AlGaN HEMT界面态分析

本文通过I-V法测试得到25-200℃范围内GaN/AlGaN HEMT器件直流特性随温度的退化情况,同时通过C-V法测试了器件在25-100℃范围内电容、电导随频率、温度变化的特性。经电导法分析发现器件界面处存在高密度陷阱态进一步分析认为,高密度界面陷阱态是引起器件高温特性退化的原因。     

金属/AlGaN/GaN横向肖特基二极管器件结构的改进

本文采用Schrodinger方程与统计力学方程联立的方法,研究了金属/AlGaN/GaN异质结横向肖特基二极管正极电流分布不均匀的现象,提出了缓解电流集边效应的二极管结构的改进。     

布尔代数的Ⅰ-Ⅴ模糊子代数

研究了布尔代数的Ⅰ-Ⅴ(Interval valued)模糊子代数及其相关性质,推广了相关文献中布尔代数的模糊子代数的结果。首先,通过将Ⅰ-Ⅴ模糊集应用于布尔代数,定义了布尔代数的Ⅰ-Ⅴ模糊子代数的概念,得到了布尔代数的Ⅰ-Ⅴ模糊子代数的两个简化判定定理;然后,讨论了布尔代数的Ⅰ-Ⅴ模糊子代数与(模糊)子代数之间的关系,证明了布尔代数上的IV模糊集是Ⅰ-Ⅴ模糊子代数的充要条件是Ⅰ-Ⅴ模糊集的截集是布尔代数的子代数,布尔代数上的Ⅰ-Ⅴ模糊集是Ⅰ-Ⅴ模糊子代数的充要条件是Ⅰ-Ⅴ模糊集的上下隶属函数均为布尔代数的模糊子代数;其次,讨论了布尔代数的Ⅰ-Ⅴ模糊子代数的交、同态等性质,证明了布尔代数的Ⅰ-Ⅴ模糊子代数的交、同态像和同态逆像等也是布尔代数的Ⅰ-Ⅴ模糊子代数;最后,讨论了布尔代数直积上的Ⅰ-Ⅴ模糊子代数。     

晶格匹配InAlN/GaN异质结2DEG迁移率机制研究

在晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN异质外延上制备了TLM测试结构,通过提取方块电阻计算不同温度(100-525 K)的迁移率,并采用多种散射模型拟合迁移率温度依赖曲线,研究了高低温下InAlN/GaN异质结2DEG的迁移率机制.结果表明,随着温度由100 K逐渐增加至525 K,2DEG迁移率随温度增加而降低,低于200 K时平缓降低,高于200 K时则快速降低.多种散射模型拟合迁移率温度依赖数据表明,产生上述现象的原因是低温下(200 K),2DEG迁移率主要受界面粗糙散射影响,随着温度升高,极性光学声子散射占主导.     

光学声子散射对纤锌矿AlN/GaN异质结中电子迁移率的影响

考虑导带弯曲和有限高势垒,利用变分法和力平衡方程研究了界面光学声子和半空间光学声子散射对纤锌矿AlN/GaN异质结中二维电子气(2DEG)迁移率的影响,数值计算了各支光学声子作用下迁移率随电子面密度及温度的变化.结果表明:总迁移率随电子面密度先上升后下降,随温度升高则一直呈下降趋势.在较低电子面密度时,沟道区的体纵光学声子散为影响迁移率的主要因素;当电子面密度大于4×10113/cm2时,界面声子散射成为主要因素.