GaN微电子器件的研究进展

介绍了GaN材料的优良特性以及工艺上存在的问题;着重介绍了GaN微电子器件的历史发展和最新发展;GaN微电子器件发展表现出较大应用潜力。     

基于GaN器件的半桥式固态射频电源应用研究

随着电力电子行业的发展,射频电源对高效率、轻量化的要求逐渐提高。硅(Si)材料的理论极限,约束了Si功率器件在高频、高压及大功率等场所的应用。基于氮化镓(GaN)半导体材料制备的功率器件与Si器件相比,具有导通阻抗低、输入输出电容小等特性。基于这些特性,采用GaN管设计制作了一款开关频率为2 MHz的半桥式固态射频电源样机。通过电路的设计和优化,样机输出2 MHz的标准正弦波。样机的输出功率为14.9 W时,效率可达到95.5%,功率密度可达到78.9×10-3W/cm3。同时,采用专为射频电源生产的Si功率器件替换掉样机上的GaN器件,验证了GaN器件与Si器件相比,可大幅度提高半桥式固态射频电源的整机效率和功率密度。     

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.     

包含Kink效应的改进型GaN HEMTs模型

提出了一种GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)建模方法.该模型以ADS(advanced design system)中的符号定义器件SDD(symbolically defined device)为基础,结合宽带S-参数与脉冲直流测试数据,对GaN器件进行精确建模.本文所用晶体管为双指AlGaN/GaN HEMT器件,其栅长为90 nm,单指栅宽为40μm.数据测试采用在片测试方法,在常规S参数测试和直流测试基础上,增加了脉冲直流测试,并针对测试数据体现的Kink效应和阈值电压漂移现象进行建模.研究结果表明,该模型可以准确拟合器件0～110 GHz S参数及直流特性,谐波平衡仿真显示该模型具有良好的收敛特性,可用于GaN HEMTs器件电路仿真.     

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。     

采用AlN绝缘栅的AlGaN/GaN凹栅槽结构MISHEMT器件

本文通过射频磁控反应溅射实现高质量的AlN绝缘栅层,采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀出凹栅槽结构,将MIS结构和凹栅槽结构的优点相结合,研制成功AlGaN/GaN凹栅槽结构MIS HEMT器件,在提高器件栅控能力的同时,降低栅极漏电,提高击穿电压。器件栅长0.8μm,栅宽60μm,测得栅压为＋5V时最大饱和输出电流为832mA/mm,最大跨导达到210mS/mm,栅压为-15V时栅极反向漏电为6nA/mm。     

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.     

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。     

GaN基二维八重准晶光子晶体制备与应用

针对半导体发光管（LED）器件普遍存在的出光效率低下的问题,首次采用聚焦离子束技术成功地在GaN基发光器件上制备了GaN二维八重准晶光子晶体（2D-8PQCs）结构。并将二维八重准晶光子晶体应用于电注入器件,当刻蚀孔径为600nm,空气填充因子为30％时,得到了表面出光效率高达2.5倍的增强。通过微区电致发光与发光图样的研究,证实二维八重准晶光子晶体结构抑制了导波模式的传播,将LED中导波模式耦合到辐射模式,从而起到改进表面出光的作用。上述结果为二维准晶光子晶体在GaN基发光器件中的应用提供了一种可能的途径。     

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.     

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。     

GaN纳米线的成核及生长机制研究

报道了利用CVD方法研究GaN纳米线的成核和生长机理的最新结果,着重强调了生长温度和催化剂对纳米线生长的影响。通过分析GaN纳 米线的形貌、显微结构与生长温度、催化剂等影响因素之间的依赖关系,详细研究了GaN纳米线的生长过程。这一结果有助于了解一维纳米结构的生长机理,实现纳米材料的可控制生长,并有可能直接应用于GaN纳米器件的制备。     

GaN基p-i-n型紫外探测器光生载流子屏蔽效应模型

通过求解光生载流子连续性方程,得出GaN基p-i-n型紫外探测器耗尽层中的光生载流子密度分布.根据泊松方程计算了光生载流子屏蔽电场,并通过数值计算方法将光生载流子屏蔽电场引入器件模型,建立了光生载流子屏蔽效应模型.在此基础上,讨论了光生载流子屏蔽效应对p-i-n型探测器耗尽区光生载流子密度分布的影响,并分析了外加偏压、入射光功率以及载流子寿命对光生载流子屏蔽效应模型的影响.结果表明光生载流子屏蔽效应对器件性能的影响是非单调的,且通过调节外置偏压可以得到最大载流子漂移速度和最小器件响应时间.     

GaN基量子点的制备与光致发光特性的研究

由于GaN基量子点具有较强的量子效应,有望获得比其他量子阱器件更优异的性能。目前GaN基量子点的制备及其光学特性已经成为Ⅲ-Ⅴ族半导体器件研究的热点。探讨了GaN基量子点的生长及其结构特性,重点研究了GaN基量子点的S-K生长模式及其影响量子点生长的因素,并讨论了GaN基量子点的光致发光特性及其影响因素。     

非极性SiC/GaN界面结构特性

GaN是一种具有广泛应用前景的光电子材料,但是,用于制造器件的GaN都是在不同衬底上外延生长得到的,在常用的Al2O3和SiC衬底上沿[0001]方向直接生长的GaN外延膜存在有较高的缺陷密度(10^10cm^-2),研究发现在SiC衬底上侧向外延(ELO)生长的GaN线缺陷密度可低达10^5cm^-2,目前对     

《半导体器件》课程中GaN基光电器件差异性教学探讨

在《半导体器件》课程中加强宽禁带半导体器件的教学是科学技术与国民经济快速发展对高等学校基本职能所提出的根本要求。本文阐述了把第三代宽禁带半导体GaN基光电器件作为新型半导体器件进行重点教学的必要性和意义．同时也指出需要采用差异化的教学方法来讲授新型器件在结构、工作原理与光电性能等方面的特殊表现。     

GaN基激光器的研究进展

GaN材料作为第三代半导体材料具有十分独特的性能,其发光波段可以覆盖从红外到深紫外波段。GaN材料击穿电场强、发光效率高,使其在显示、照明、通信等领域具有非常广泛的应用。综述了GaN基激光器的发展历程及其失效和退化机制的研究进展。目前最新的蓝光GaN基激光器在3 A电流连续工作时的电压和输出功率为4.03 V和5.25 W;最新的绿光激光器波长为532 nm,在电流1.6 A时,输出功率为1.19 W。进一步阐述了GaN基激光器退化的主要表现,即随着工作时间的延长,激光器发光效率降低、光转化效率降低以及电压升高。总结了四种主要的退化模式,分别为封装退化、静电损伤、腔面退化和芯片失效。     

n型GaN的蓝光发射研究

使用光谱表征技术研究了非掺杂n型GaN的蓝光发射机理 ,给出了 42 7～ 496nm (2 5～ 2 9eV)范围的蓝光的发光模型。蓝光发射为施主型发射 ,施主能级可能起源于某种间位杂质     

多量子阱垒结构优化提高GaN基LED发光效率研究

为了解决由于极化效应引起的漏电流影响发光效率的问题,以k.p理论为基础建立多量子阱模型,分析研究了GaN基LED中不同的InGaN/InGaN多量子阱发光层势垒结构.基于化合物半导体器件的电学.光学和热学属性的有限元分析,设计与优化多量子阱中靠近P型AIGaN电子阻档层倒数第二层势垒,显著提高了光输出功率,减少漏电流.数值模拟分析表明,改良多量子阱势垒能够大幅提高高亮度,高功率器件结构光电特性.     

La0.67 Sr0.33 MnO3/GaN异质结的光电效应研究

利用脉冲激光沉积技术制备了p-n型的La0.67Sr0.33MnO3/GaN异质结.在室温下测量了La0.67Sr0.33MnO3/GaN异质结的电流-电压特性曲线,结果表明该异质结具有较好的整流效应.对该异质结的光电效应进行了测量,发现该异质结还具有明显的光电效应:当用光功率为6mW、波长520nm的光照射该异质结时该异质结的光电压可达33μV.还发现异质结的光电压与入射光的功率及光子能量有依赖关系:入射光功率或光子能量越大,光电压越高.根据La0.67Sr0.33MnO3/GaN的能带结构对实验结果作了解释.结果表明La0.67Sr0.33MnO3/GaN异质结可用作光电器件.