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。     

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。     

低温增强型非晶铟镓锌氧薄膜晶体管特性研究

在室温下利用射频磁控溅射沉积非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)薄膜作为有源沟道层,分别制备了顶栅和底栅结构的薄膜晶体管(a-IGZO-TFTs)原型器件,同时研究了沟道层生长参数及后退火工艺对器件特性的影响。研究及实验结果表明:当增加底栅结构a-IGZO-TFTs器件IGZO沟道层氧气流量时,器件输出特性由耗尽型转变为增强型;当沟道宽长比为120∶20时,获得了4.8×10~5的开关电流比,亚阈值摆幅为1.2V/dec,饱和迁移率达到11cm~2/(V·s)。沟道层氧气流量为2cm~3/min的底栅结构a-IGZO-TFT器件在大气中经过300℃退火30min后,器件由耗尽型转变为增强型,获得4×10~3的开关电流比。     

磁控溅射生长AlN钝化层的研究

测得AlN和Si3N4介质钝化后的AlGaN/GaN异质结的高频C-V（电容-电压）曲线,由此计算钝化层与AlGaN势垒层界面电荷面密度,发现AlN钝化层与势垒层界面的电荷面密度较Si3N4更大,同时AlN钝化层薄膜含有的可移动离子数目更多.根据I-V（电流-电压）曲线讨论了用磁控溅射技术生长的AlN钝化薄膜质量,发现AlN薄膜绝缘性不够好,可能是在室温磁控溅射生长过程中从靶材溅射出的Al原子未能与N2充分反应,导致沉积的AlN薄膜不够致密,含有的电子隧穿通道多.因此可改善反应条件以提高AlN薄膜质量.     

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基场效应器件Monte Carlo模拟

基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)在高温、高功率微波器件方面有极其重要的应用前景.文章用自洽-耦合蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对AlGaN/GaN异质结构场效应晶体管作了模拟,给出了器件直流特性的Monte Carlo模拟结果,包括器件的粒子分布及器件的等势线分布,最后给出器件在不同栅电压下的直流输出特性.文章的模拟结果对研究GaN基场效应器件有指导意义.     

一种计算纳米CMOS器件中应力致界面态的方法

在纳米CMOS器件中,负栅压温度不稳定性、热载流子注入效应和栅氧化层经时击穿等应力使得Si/SiO2界面产生界面态,引起器件参数的退化.随着CMOS器件不断缩小,这种退化将严重制约器件性能.提出了一种改进的计算纳米CMOS器件中应力产生界面态的方法,能够对应力产生的界面态进行定量描述.该方法在电荷泵基础上测量纳米小尺寸器件初始状态和应力状态下的衬底电流,提取电荷泵电流(Icp),计算出应力产生的界面态密度.测量过程中,脉冲频率固定不变,降低了频率变化所带来的误差.     

级联型氮化镓HEMT器件UIS可靠性机理

对级联型氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)在非钳位感性负载开关(US)应力下的可靠性机理进行研究.通过实验分析和软件仿真验证,揭示级联型氮化镓功率器件在单脉冲UIS应力下的耐受机理、失效机理以及在多脉冲UIS应力下的电参数退化机理.在常开型氮化镓晶体管从开态转换到关态的过程中,器件源漏两端的电压增大.通过自配置级联的方式,观察器件内部节点的电压情况,从而分析其失效过程.实验结果表明器件的失效位置出现在低压硅基器件上,利用仿真软件分析得出逆压电效应引起关态漏电的增大,最终导致器件失效.此外,结合测试结果与仿真分析,发现重复UIS应力会引起电子陷阱的产生与积累,从而导致相关电参数的退化.     

高k栅栈MOSFET共振隧穿模型

针对高介电常数（k）栅堆栈金属氧化物场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）实际结构,建立了入射电子与界面缺陷共振高k栅栈结构共振隧穿模型.通过薛定谔方程和泊松方程求SiO2和高k界面束缚态波函数,利用横向共振法到共振本征态,采用量子力转移矩阵法求共振隧穿系数,模拟到栅隧穿电流密度与文献中实验结果一致.讨论了高k栅几种介质材料和栅电极材料及其界面层（IL）厚度、高k层（HK）厚度对共振隧穿系数影响.结果表明,随着HfO2和Al2O3厚度减小,栅栈结构共振隧穿系数减小,共振峰减少.随着La2O3厚度减小,共振峰减少,共振隧穿系数却增大.随着SiO2厚度增大,HfO2,Al2O3和La2O3基栅栈结构共振隧穿系数都减小,共振峰都减少.TiN栅电极HfO2,Al2O3和La2O3基栅栈比相应多晶硅栅电极栅栈结构共振隧穿系数小很多,共振峰少.     

AlN/GaN分布布拉格反射器反射率的研究

从理论上推导出分布布拉格反射器(DBR)反射率的计算公式,分析了GaN基材料DBR反射率与单层膜折射率、多层膜的对数、单层膜的厚度等的关系,发现20对AlN／GaN构成的1／4波长。DBR的反射率在中心波长410nm下达到了0．9995,分析了DBR反射率随单层厚度波动的影响,并发现随着正偏差的增大,最大反射率对应的波长增大．相同对数AlN／GaN多层膜的反射率比MGaN／GaN多层膜的反射率大,因此,AlN／GaN比AlGaN／GaN更适合做反射器。     

界面二氧化硅层对二极管辅助硅基磁电阻效应影响的研究

本文制备了二极管辅助的晶体硅磁阻(magnetoresistance,MR)器件,研究了界面二氧化硅层的磁阻放大作用及器件在硅基磁电子器件中的可能应用.通过有与无二氧化硅层的实验对比,发现引入二氧化硅层后器件的磁阻在室温和1.2T磁场下达到了527%,磁阻性能提升了76%以上.通过对无磁场作用下伏安特性的测量,证明了氧化硅层的引入增加了界面电阻,通过等效电路分析,对相关机理进行了讨论.这项工作将为硅基磁电子器件的可能应用提供一种新的方法.     

立方相GaN/β-SiC(100)(2×1)混合界面的电子结构

讨论了含有一个混合层的GaN/ β SiC(10 0 ) (2× 1)重构界面模型 ,在此基础上提出了 (2× 1)混合界面在层轨道表象中的微扰势形式 ,计算了立方相GaN/ β SiC(10 0 )异质结中N/Si界面的电子结构和波矢分辨的层态密度 ,详细讨论了混合界面的原子结构对界面电子结构和层态密度的影响 .结果表明 :混合界面降低了表面态的对称性 ,能量简并消失并产生新的界面态 .层态密度计算结果显示 ,几乎所有界面态都局域在界面附近 ,界面上新形成的化学键使半共振态在界面的一侧高度局域 ,在另一侧为扩展态     

双栅非晶InGaZnO薄膜晶体管有源层厚度对电学性能的影响

双栅非晶InGaZnO薄膜晶体管(DG a-IGZO TFTs)具有比单栅a-IGZO TFTs更优良的电学性能.文中基于a-IGZO/SiO_2界面缺陷态呈指数型分布的模型,讨论了在界面缺陷态影响下双栅驱动的DG a-IGZO TFTs有源层厚度对电学性能的影响.研究结果表明:随着有源层厚度的减小,双栅驱动模式下DG a-IGZO TFTs两栅极的耦合作用增强,有源层上、下表面的导电沟道向体内延伸,使器件的场效应迁移率显著增加;界面缺陷态对DG a-IGZO TFTs场效应迁移率的影响随着有源层厚度的减小而降低,对亚阈值摆幅的影响随着有源层厚度的减小而增大.     

p沟道Cu_2O半导体薄膜场效应晶体管的制备及Ⅳ特性研究

采用磁控溅射掩膜制备工艺,在n型Si衬底上分别制备了底栅型p沟道Cu_2O半导体薄膜场效应晶体管(TFTs).用XRD、SEM、XPS等检测分析方法对不同条件下制备的Cu_2O薄膜的晶体结构、表面形貌、化学成分进行了表征.对O_2通量、退火温度及沟道宽度等因素对半导体薄膜及器件特性的影响进行了对比研究.研究发现,O_2通量是制备Cu_2O半导体薄膜的关键因素,器件I_(DS)电流的绝对值随着栅压的绝对值的增大而增大,具有典型的p沟道增强型场效应晶体管特征.其Ⅳ特性与溅射沉积时间、沟道宽度、退火因素等有关,真空退火处理后有助于提高器件的I_(DS)的绝对值.测试表明,制备的沟道宽度为50μm的典型器件的电导率、电流开关比和阈值电压分别为0.63S/cm,1.5×10~2及-0.6V.     

高κ栅介质肖特基源、漏极Ge-pMOSFET的电学特性

利用紫外曝光光刻技术和精简的半导体加工工艺,用一步光刻制备了以HfO_2为高κ栅介质,NiGe为肖特基源、漏极的Ge-pMOSFET器件,并在栅极中引入厚度1 nm的Si层对HfO_2和Ge接触界面进行了钝化处理.器件的电学特性测试结果表明,Si钝化效果显著,不仅可确保HfO_2有较高的κ值(22),约为钝化前(κ=10)的两倍,还提高了器件的开启速度和开关比;器件亚阈值摆幅降低为钝化前的50%,开关比从钝化前的105提高至770,提高了约7倍,表明Si钝化是提高器件性能的关键.探讨了Ge-pMOSFET器件呈现双极性的原因,认为肖特基源、漏极在正向栅压下易击穿是导致该现象的主要因素.     

硅基氧化钆薄膜的生长及结构

采用脉冲激光沉积方法(PLD)在不同温度的Si(100)衬底上制备了Gd2O3栅介质薄膜,利用X射线衍射、X射线反射率以及光电子能谱等方法对它的结构、组成以及价带偏移等进行了研究.结果表明:衬底温度为300℃时,Gd2O3薄膜呈非晶态;当衬底温度为650℃时,形成单斜相的Gd2O3薄膜.XPS和XRR 结果确定其界面主要是由于界面反应形成的钆硅酸盐.通过XPS分析得到Gd2O3与Si之间的价带偏移为(-2.28±0.1)eV.     

GaN基垂直腔面发射激光器的研制

作者在我国大陆首次实现了GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)的激射.首先采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上进行高质量氮化物增益区的外延生长,然后在表面沉积高反射介质膜分布布拉格反射镜(DBR).将样品键合到其它支撑片上后,采用激光剥离技术将蓝宝石村底去除.再在去除蓝宝石后露出的氮化物表面沉积第二组介质膜DBR制成VCSEL.在室温光泵条件下,观察到VCSEL的激射,激射波长449.5 nm.阈值6.5 mJ/cm2,激射峰的半高宽小于0.1 nm,这些指标达到了国际领先水平.本文为进一步研制实用化氮化物VCSEL奠定了重要的基础.     

碳化硅电力电子器件及其在电力电子变压器中的应用

随着“坚强智能电网”建设的不断深化以及“泛在电力物联网”概念的提出,硅基电力电子器件以及电力电子化装置正面临着新的挑战。以碳化硅基为代表的宽禁带功率半导体器件,因其高耐压、高耐温、高频开关等优良特性,在中高压领域前景广阔。其典型应用之一即因硅基器件耐压水平有限而难有突破的电力电子变压器。电力电子变压器除了能实现传统工频交流变压器的电压变换和电气隔离功能之外,还在故障切除、功率调控、分布式可再生能源接入等方面有独特优势。本文首先对碳化硅电力电子器件的研究与发展作简要概述,而后对电力电子变压器的发展进行了简单梳理。最后,重点介绍了几种典型的应用碳化硅器件的电力电子变压器,以便相关研究的进一步开展。     

GaN组合开关电路及其驱动技术研究

基于氮化镓的高电子迁移率场效应晶体管(GaN HEMT)具有电子迁移率高、耐高温和极低的寄生电容等诸多特点而成为开关变换器领域关注的焦点。限于目前的制造工艺,基于氮化镓材料的MOS开关器件更容易做成耗尽型,针对耗尽型GaN HEMT器件的负电压关断特性,结合其应用于开关变换器的上电短路问题,提出一种GaN HEMT器件与增强型MOSFET的组合开关电路,可实现对耗尽型GaN HEMT器件的开、关控制及可靠关断,但其关断速度不够快。为此,提出一种快速关断GaN HEMT器件的驱动电路,并得到了进一步提高GaN HEMT器件开关速度的改进电路,可实现对耗尽型GaN HEMT器件快速可靠关断。实例及实验结果验证了所提出电路的可行性。     

GaN基半导体中载流子的自旋注入、弛豫及调控

GaN基半导体材料由于其电场可控的自旋轨道耦合以及高于室温的居里温度,在半导体自旋电子学领域引起了广泛的关注.载流子的自旋注入、弛豫和调控是发展半导体自旋电子器件的关键问题.本文回顾了基于时间分辨克尔光谱和平面自旋阀电学测量对GaN基半导体中载流子的自旋注入、弛豫和调控的研究进展.对GaN基半导体的精细能带结构、自旋轨道耦合、自旋弛豫机制及自旋调控等进行了讨论,总结了GaN基半导体自旋电子器件的研究现状并提出展望.