（微电子学与固体电子学专业论文）algangan+hemt逆压电效应模型及抑制技术的研究.pdf

河北工业大学硕士学位论文 i algan/gan hemt 逆压电效应模型及抑制技术的研究逆压电效应模型及抑制技术的研究 摘摘 要要 传统的微波功率器件（例如 si，ge）已经到达其性能极限，为了应用于未来无线通信 以及航空航天等领域，宽禁带半导体诸如 gan、sic 越来越受到科研人员的关注。 algan/gan hemt(高电子迁移率晶体管)可以克服宽禁带半导体低电子迁移率的缺点，特 别适合于高频高功率应用。 algan/gan 异质结由于自发极化效应和压电极化效应在界面处产生高浓度的二维电 子气（2deg） ，与此同时，逆压电效应对 2deg 也会产生影响。 首先，在文中提出了一种逆压电效应模型（即电致耦合模型）来计算 2deg，在计算 过程中考虑到弛豫度与附加电场对材料压电极化效应的影响，结果发现压电极化电荷密度 低于传统利用压电模量方法的计算值，当 al 组分0.30 x 时，两种模型的计算值相差 7.17%，由此可见，当电场作用于材料时，材料产生逆压电效应，导致压电极化电荷密度 降低。 其次，抑制逆压电效应，降低 hemt 器件的电流崩塌量并提高器件的击穿电压，这对 于提高 gan 器件的工作性能具有重要意义。 通过在器件研制过程中采用源漏凹槽结构来改 变器件内电场分布，从而提高器件工作特性。实验结果初步表明，采用源漏凹槽结构不仅 可以降低源漏间电阻，且对于器件击穿特性的影响如下：源、漏以及源漏三种凹槽结构中， 源漏凹槽结构有利于提高器件栅漏击穿电压， 在 80v 电压下栅极漏电流密度比源凹槽结构 低 5.06 10-4a/mm；源凹槽结构有利于提高栅源击穿电压，在 80v 电压下栅极漏电流密度 比漏凹槽结构低 11.71 10-4a/mm。源漏凹槽结构在抑制电流崩塌方面要优于另外两种凹槽 结构，电流崩塌量比未采用凹槽结构的器件低 5.5%。综上可知，源漏凹槽结构可以抑制逆 压电效应，减小电流崩塌量并提高器件的击穿电压，这对于提高器件的工作特性具有重要 意义。 关键字：逆压电效应，氮化镓，电致耦合模型，二维电子气，凹槽，击穿电压 algan/gan hemt 逆压电效应模型及抑制技术的研究 ii algan/gan hemt converse piezoelectricity model and restrain technology research abstract microwave power device with conventional semiconductors such as si&ge have approached their performance limits. to meet the future need wireless communications,national defense and navigation&spaceflight，research effort have been directed to wide bandgap semiconductors such as sic and gan. algan/gan hemt have been chosen to overcome the drawback of inherently low electron mobilities in the wide bandgap materials so that both high power and high speed are feasible. spontaneous and strain induced polarization lead to a high positive polarization in the algan, resulting in a two-dimensional electron gas (2deg) induced at the algan/gan interface，and the converse piezoelectricity has influence on 2deg as well. firstly,electromechanical coupled model concerning crystal relaxation was introduced, which related stress not only to the added electric field but also to the strain relaxation in algan/gan heterostructure.we find that the polarization charge computed by electro- mechanical coupled model was 7.17% less than that obtained by use of the standard theoretical method for the algan/gan heterostructures with al mole fraction of 0.30. it is clear that when electric field is applied on algan/gan heterostructure,the converse piezoelectric polarization occures, which leads to the reduction of polarization charge density finally. secondly,in order to restrain the converse piezoelectricity effect, reduce the drain current collapse and promote the breakdown voltage, we introduced a recessed structure with the purpose of changing the electric field distribution and improving the gan hemt working performance. we employed source-drain recessed to reduce the device resistance, restrain current collapse and increase the breakdown voltage. the source-drain recessed device shows advantage in promoting the gate-drain breakdown voltage,and the leakage current is 5.06 10-4a/mm less than source-recessed device. source-recessed device performs better in increasing gate-source breakdown voltage,and the leakage current is 11.71 10-4a/mm less than drain-recessed device. the source-drain recessed performs better in restraining the current collapse with 5.5% less than device without recessed process. so the recessed structure can restrain converse piezoelectricity effect and improve the algan/gan hemt operation characteristic. key words: converse piezoelectricity, gan, electromechanical coupled model, 2deg， recessed structure，breakdown voltage 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪论第一章 绪论 宽禁带半导体是当今世界的科技前沿， 是微电子领域的战略制高点， 是新一代武器装备跨越式发展 的核心技术之一，在航空航天和国防领域中具有十分重要的研究意义。以硅（si）和砷化镓（gaas） 为代表的第一、 二代半导体器件在历史上对国防建设和通讯产业的发展起到了重要的作用， 但由于受其 禁带宽度的束缚已经无法满足高科技发展的迫切要求，而以氮化镓（gan）和碳化硅（sic）为代表的 宽禁带半导体材料和器件已经成为当今研究的热点。与目前绝大多数的半导体材料相比，gan具有禁带 更宽、饱和漂移速度更大、临界击穿电场和热导率更高、大功率密度、抗辐射、耐高温、超高频等1 优势，在军用、航空、航天等领域具有非常广阔的应用前景，是最令人瞩目的新型半导体材料之一。 随着外延材料质量的不断提高，器件工艺的不断完善，algan/gan hemt 的发展十分迅速。进入 本世纪，gan 器件的工作特性指标飞速提高，尤其是器件的微波功率特性，主要表现在输出功率和功 率密度的大幅提高。algan/gan hemt 的发展主要沿着三条不同的路径进行：直流（dc）特性的发展， 主要表现在栅长的变化，电流密度及跨导的提高等；射频（rf）小信号特性的发展，表现在栅长的减 小，截止频率（ft）和最大振荡频率（fmax）的提升等；射频大信号特性的发展，表现在功率密度和输 出功率的提高，增益及功率附加效率（pae）的提高等。自 khan et al.于 1993 年报道了第一只 hemt 以来，gan 基器件得到不断的发展2-4。gan 异质结构因其可以形成高迁移率和高浓度的二维电子气， 结合 gan 材料本身的高击穿电场(3x106v/cm)特性，可以实现高电压和大电流工作，具有极其出色的功 率特性，在微波及高温工作方面得到广泛应用5-7 。目前，随着 algan/gan hemt 器件和工艺研究的 日趋成熟，在国外(美国、日本等)已有高性能的 gan 产品走向市场。 1-1 gan hemt 的发展历程的发展历程 gan 材料具有非常广阔的发展前景，随着商业和国防上对高性能（高频、大功率、体积小等）射 频微波电路与系统需求的不断增长，世界上许多国家的科研机构和半导体公司都投入巨资和精力从事 gan hemt 的研究。 1971 年，pankvoe 等人8报道了第一只 gan 基发光二极管（led） ，但是早期的研究工作主要是受 限于材料问题，即未能研制出 gan 衬底，只能在晶格失适配比较大的衬底上（例如 si）进行异质外延 生长，由此导致很高的缺陷密度及高粗糙度的材料表面。 1993 年，khan.m.a 等人9报道了第一只蓝宝石衬底 gan hemt，该器件栅长为 4m，器件最大饱 和电流密度 ids为 500ma/mm，跨导为 28ms/mm，当时还未有关于微波特性的报道，其 1997 年报道的 gan hemt 器件饱和电流密度达到 la/mm，fmax为 100ghz。 随着gan器件制造工艺的不断发展以及人们对algan/gan hemt器件基础理论研究的不断深入， gan hemt器件工作特性得到了不断提高。2004年，y.-f. wu 等人10通过优化场板结构来降低陷阱效 应并提高器件击穿电压，成功研制出sic衬底gan基hemt。当采用的场板长度为1.1m时，在测试频率 algan/gan hemt 逆压电效应模型及抑制技术的研究 2 图 1.1 sic 衬底优化场板 gan hemt10 fig 1.1 optimized field-plate gan hemt on sic 图 1.2 sic 衬底 4ghz gan 基 hemt 测试结果10 fig 1.2 the test result of gan hemt at 4 ghz on sic 为4ghz，漏极偏置电压为120 v时输出功率密度达到32.2 w/mm，功率附加效率(pae)为54.8；在测试 频率为8ghz，漏极偏置电压为120v时输出功率密度为30.6w/mm，功率附加效率(pae)为49.6。其制 作的场板结构如图1.1所示，增益及pae测试结果如图1.2所示。 2006年，y.-f.wu 等人11研制成功双场板毫米波cree hpsi sic衬底gan hemt。器件栅长0.55m， 双场板长度分别为0.5m、1.2m，在4.0ghz下的输出功率密度达到41.4w/mm，大信号增益为16db，功 率附加效率(pae)为60%，图1.3为双场板gan hemt结构图，其功率输出特性如图1.4所示： 2007年s. nakajima, y. tateno等人12发表文章指出gan hemt器件的发展现状， 其中包括： 2.9 ghz 下的最高输出功率为 900w，9.5ghz 下最高的输出功率为 81w；在栅长为 30nm 时的增益截止频率为 181ghz，输出饱和功率为 100w 时的最高功率附加效率（pae）为 75%，在 1.02.5ghz 宽带下漏极效 率为 50%。 2008年，美国加州大学圣巴巴拉分校(ucsb)的研究员设计的v型栅结构x波段gan hemt，采用 mocvd方法在sic衬底上外延生长器件结构，其中包括gan 缓冲层，0.6 nm aln插入层，35 nm algan 势垒层(al组分为0.22)和250nm的gan盖帽层， 器件制备过程中采用等离子体刻蚀的方法形成台面和v型 栅凹槽。器件测试结果显示：在48v偏置电压下，功率附加效率(pae)达到65%，输出功率密度为 12.2w/mm。 2009年hitoshi sumi等人13报道了ku波段120w固态功率放大器(sspa)， sspa的末级采用了8只gan fets。在1414.5 ghz频段，测试结果显示三阶交调损耗(im3)为-32dbc，输出功率为120w时的功率效 图 1.3 双场板 gan hemt 结构图11 fig.1.3 cross section of double field-plated gan hemt 图1.4 双场板gan hemt功率特性11 fig.1.4 the power characteristic of double field-plated gan hemt 河北工业大学硕士学位论文 3 率为9.0%。这是世界上第一只采用gan fets制作的ku波段输出功率大于100w的sspa。 在gan器件制备过程中，一般采用钝化工艺来抑制电流崩塌。bruce m.green等人142000年采用淀 积si3n4钝化层的方法研制成功蓝宝石衬底algan/gan hemt，该钝化层有效抑制了电流崩塌，并且将 功率密度提高了一倍，在测试频率为4ghz，栅宽为0.6mm时输出功率密度达到4.0w/mm，这是当时报 道的蓝宝石衬底algan/gan hemt最大输出功率密度。2000年，jong-soo lee等人15研究发现淀积钝化 层后，蓝宝石衬底algan/gan hemt器件饱和电流从610ma/mm提高至690ma/mm，最大跨导由 150ms/mm提高至170ms/mm。y.liu 等人162002年采用aln材料钝化algan/gan hemt器件表面，与 常规sin钝化相比，大大降低了栅漏电流。2002年，j.k.gillespie 等人17采用sc2o3与mgo作为钝化层， 与常规sin钝化相比，器件的电流崩塌量更小，输出功率更大，稳定性更好。2003年，y.z.chiou等人18 采用光辅助化学气相沉积（photo-cvd）的方法研制成功了algan/gan moshfet，结果表明此方法可 有效抑制电流崩塌效应，并且栅漏电流降低了四个数量级。2004年，d.ducatteau 等人19采用sio2/si3n4 钝化层结构，钝化后器件输出功率密度由钝化前的2.9 w/mm上升至6.3w/mm。2004年，tetsuo kunii 等 人20采用催化化学气相外延（cat-cvd）的方法淀积sin钝化层，此种方法减少了由于钝化工艺造成的 algan表面缺陷，从而提高了器件稳定性，在偏置电压vd30v，5ghz下工作200小时后输出功率衰减 小于0.4db，其2005年21采用相同技术研制成功栅长0.4m，栅宽为50.4mm的gan器件，在c波段偏置电 压vd40v时输出功率为140w。2005年， andrew p.edwards 等人22采用sin钝化前先进行nh3等离子体 处理的方法淀积钝化层，结果有效抑制了电流崩塌，与无nh3等离子体处理钝化工艺相比，器件老化测 试后功率衰减量缩小了近1000倍，从而大大提高了器件的稳定性能。2008年，tom zimmermann等人23 制作的algan/gan绝缘栅hemts，通过优化aln/gan界面，器件输出电流密度达到2.3a/mm，最大跨导 为480ms/mm。 同时，cree、nitronex、rfmd、富士通、优迪纳等国际知名半导体公司纷纷开始推出 dc-6.0 ghz 用于 wimax 通讯设备和宽带通信的 gan hemt 产品。美国 cree 公司先后发布了一系列应用于 wimax 的 uhf-5800mhz gan hemt 产品，其中 cgh55030f1/p1 型 gan hemt，在偏置电压 vds28v， 5.55.8ghz 频率下小信号增益大于 9.5db，在 ave p=4w 时漏极效率大于 25%，输出功率达 30w，封装 后的器件及功率增益测试结果如图 1.5 所示。 同时， cree 公司也发布了 c 波段 gan hemt cgh55015f2/p2 与 cgh55030f2/p2， 如图 1.6 所示。 其中， cgh55030f2/p2 型号 gan 器件在偏置电压 vds28v， 4.56.0 ghz 下的输出功率为 30w， 5.65ghz 图 1.5 cree 公司 cgh55030f1/p1 gan hemt 及增益测试结果 fig.1.5 cree corp. cgh55030f1/p1 gan hemt and gain test result algan/gan hemt 逆压电效应模型及抑制技术的研究 4 下小信号增益为 12 db，漏极效率高达 60%。其发布的氮化镓高电子迁移率晶体管微波单片集成电路 （gan mmic）产品 cmpa0060002f 与 cmpa2560025f，其中 cmpa2560025f 在偏置电压 vds28v， 6.0 ghz 下的输出功率为 25.6 w，增益为 23.1db，功率附加效率(pae)高达 30.7%。 nitronex 公司发布的 gan hemt rf 器件采用了源场板结构，如图 1.7 所示，发布的功率器件工作 频率范围为 dc-6.0 ghz，其中 nptb00004 型 gan 功率器件，采用 po150s 封装方式，在偏置电压 vds 28v，2.5ghz 下连续波（cw）输出功率达 5.1w，增益为 15.5 db，连续波状态下漏极效率为 56， 封装后的器件如图 1.8 所示。 rfmd公司发布了采用先进的0.5m工艺gan hemt器件，如图1.9所示。其中的rf393x系列，输 出功率在10120w之间。器件采用的偏置电压vds48v，2.1ghz下的输出功率增益大于14db，峰值漏 极效率大于65%。 图 1.9 rfmd 公司发布的 gan hemt 器件产品 fig.1.9 rfmd corp.gan hemt 图 1.6 cree 公司 cgh55030f2/p2 与 cmpa2560025f 型 gan 器件 fig.1.6 cree corp. cgh55030f2/p2 and cmpa2560025f gan device 图 1.7 0.5m 场板结构 gan hemt sem 图 fig.1.7 0.5m nrf1 gan hemt sem diagram 图 1.8 nitronex nptb00004 型 gan hemt fig.1.8 nitronex corp.nptb00004 gan hemt 河北工业大学硕士学位论文 5 eudyna 公司发布的 egn21b180iv 型 gan 基 hemt 器件，工作电压 vds高达 50v，击穿电压达到 350v，最大输出功率为 180w，在 2.14 ghz 下的输出功率为 53.0 dbm，功率增益 gp=16.0 db，漏极效 率为 32，封装后的器件如图 1.10 所示。 德国 ums 自 2006 年起已经开始着手进行 gan 器件欧洲联合开发项目，其产品也有望扩展至 4 英 寸，nxp semiconductors 的期望值更高，预计 2009 年欧洲联合开发小组将推出宽带 cdma 基站商用 100w gan 器件。 国内宽禁带半导体微波功率器件研究始于上世纪末， 经过最初几年的摸索， 已积累了一定的材料与 器件研制经验，但与国外最高水平相比还有很大差距。 1999年至2004年，部分高校与微波器件研究所陆续开展了宽禁带半导体材料与器件的基础研究工 作， 并获得了直流特性较好的gan hemt器件。 2004年， 国家正式启动了国家重大基础项目研究 （973） ， 投入大量的人力物力来开展宽禁带半导体材料和器件的研究， 极大地提高了国内宽禁带半导体微波功率 器件的研制水平， 其中研制单位包括中国电子科技集团公司第十三研究所、 中国电子科技集团公司第五 十五研究所、西安电子科技大学、中科院半导体所、中科院微电子所等研究所及电子科技大学、北京大 学等。 1999年，中国电子科技集团第十三研究所研制成功了国内第一只具有直流特性的p埋层结构gan基 fet。2000年，中国电子科技集团第十三研究所与北京工业大学合作研制出国内第一只具有微波性能的 蓝宝石衬底gan基hemt，该器件总栅宽为20m，栅长为0.5m，最大跨导为gm=157ms/mm，饱和电 流密度ids,max0.8a/mm，该器件截止频率ft为12ghz，最高振荡频率fmax为24ghz。 2003年， 北京工业大学与中国电子科技集团第五十五研究所合作研制成功蓝宝石衬底栅长为1m的 gan基hemt，该器件最大跨导gm120ms/mm，最大饱和电流密度ids,max0.95a/mm。同年，中国电 子科技集团第五十五研究所研制成功蓝宝石衬底非掺杂gan基hemt，该器件栅宽为200m，栅长为 0.8m， 器件饱和源漏电流idss660ma/mm， 栅源偏置vgs2 v时最大饱和电流密度ids,max750ma/mm， 最大跨导gm约为160ms/mm， 夹断电压voff-5.5v， 栅漏击穿电压bvgd70v， 器件特征频率ft为20ghz， 最高振荡频率fmax为40ghz，1.8ghz下输出功率密度达到3.9w/mm，功率增益为15.59 db，功率附加效 率（pae）为48.3；6.2 ghz下输出功率密度为2.5w/mm，功率增益为10.24db，功率附加效率（pae） 为35.2。 2004年上半年， 中国电子科技集团第十三研究所成功研制出蓝宝石衬底总栅宽为1mm的gan hemt 器件，在8ghz下器件输出功率1w，功率增益4db，这也是国内第一只x波段瓦级gan基hemt器件。 2004年，西安电子科技大学与中国电子科技集团第五十五研究所合作，成功研制出4h-sic衬底gan基 hemt， 栅长0.7m， 夹断电压voff=-3.2v， 最高跨导gm=202ms/mm， 最大饱和电流密度ids,max=0.915a/mm。 同年中国科学院微电子研究所研制成功共源共栅gan基hemt，在功率增益稳定性方面的特性要优于共 源工作的单管gan基hemt；中国科学院微电子所与中国科学院半导体所合作研制成功了蓝宝石衬底栅 宽1mm gan基hemt，器件源漏最大饱和电流密度ids,max0.784a/mm，最大跨导gm197ms/mm，击穿 电压80，截止漏电流较小，器件的特征频率ft=20ghz，最大振荡频率fmax=28ghz，2ghz下功率增 图 1.10 eudyna 公司发布 egnb010mk 与 egn21b180iv 产品 fig 1.10 eudyna corp. egnb010mk and egn21b180iv algan/gan hemt 逆压电效应模型及抑制技术的研究 6 益为11.0 db，输出功率密度为1.75w/mm，功率附加效率（pae）为32%。 2005年5月，中国电子科技集团第十三研究所研制的蓝宝石衬底gan hemt，首次实现了在8ghz 下器件输出功率密度大于4w/mm，功率附加效率pae=48，功率增益为4.0db；0.1mm栅宽gan hemt 在片测试表明，器件电流崩塌量最优值达到2.93，截止频率ft为70ghz，最大振荡频率fmax为100 ghz， 饱和电流密度idss大于1a/mm，最大跨导gm大于325ms/mm。 2006年5月，中国电子科技集团第十三研究所研制成功sic衬底gan基hemt，在8ghz频率下输出 功率密度为6.76w/mm，功率附加效率（pae）为34，功率增益为4.0db；同年，中国电子科技集团第 五十五研究所研制成功sic衬底gan基hemt，在8ghz下的输出功率密度达到9.05w/mm，功率附加效 率（pae）为38.9，功率增益为7.3 db；中科院微电子所研制成功sic衬底gan基hemt，在8ghz下的 输出功率密度达到3.89 w/mm，功率附加效率（pae）为18.7，功率增益为3.0 db。 2006年12月，中国电子科技集团第十三研究所利用自主研制的sic衬底gan基外延材料，研制成功 大功率gan基hemt，8ghz下器件连续波（cw）输出功率密度大于10w/mm，功率增益大于9db，功 率附加效率（pae）大于35。2 mm单胞器件连续波输出功率密度大于6w/mm，功率增益大于4.5db， 双胞内匹配器件连续波输出功率大于23w，功率增益大于4.5db，功率附加效率（pae）大于35，四 胞内匹配器件连续波输出功率大于33w，功率增益大于5.0db，功率附加效率（pae）大于36，如图 1.11所示。 2007 年初，中国电子科技集团第十三研究所通过优化器件研制工艺及器件结构，研制出 x 波段总 栅宽为 10mm 的四胞内匹配器件，连续波（cw）输出功率达到 64 w，功率增益为 7.2 db，功率附加效 率（pae）为 39.5。 2008 年李若凡等人24报道了逆压电极化效应对 algan/gan 异质结 2deg 的影响，提出当 al 组分 为 0.3 时，algan 势垒层厚度为 20nm 时，不考虑逆压电效应计算得到的 2deg 浓度为 1.53 1013cm2； 当等效外加电压在 015v 变化时，2deg 浓度下降了 48.4%。这是国内对逆压电效应对极化电荷影响的 最近报道。 2008 年中国电子科技集团公司第十三研究所刘晨晖冯震等人25报道了 5w si 衬底外延 gan 基 hemt 的制备及其直流特性与微波特性。栅宽为 200m 的器件在栅压为 0v 时的饱和电流密度达到 0.975a/mm，最大跨导为 240ms/mm，肖特基接触采用 ni/au 结构，夹断电压为-4.5v，栅漏击穿电压为 80v，当工作电压 vds=25v 时，2.0ghz 下连续波输出功率为 5.0w，增益为 9db，功率附加效率为 35%。 2009 年，张志国等人26报道了 20w x 波段 gan mmic 的研究进展。他们通过采用国产 sic 衬底， 利用 mocvd 自主技术研制的 gan hemt 外延材料， 外延结构材料的 2deg 浓度与迁移率的乘积大于 1.7 1016/vs， 方块电阻小于300/， 片内方块电阻的均匀性小于 2.15%。 在载体上进行微波功率测试， 结果表明： 偏置电压为28v时， 工作频带为8.510.5 ghz， 带内脉冲输出功率大于21w， 增益大于15.7db， pout=34w gain=5.2db pae=36.86% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 23232828333338384343 pin(dbm) gain(db),pout(dbm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 pae(%) pout gain pae 图1.11 十三所 gan基hemt功率测试曲线 fig.1.11 the 13th institution gan hemt power test curve 河北工业大学硕士学位论文 7 功率附加效率（pae）大于 24%，9.1ghz 下输出功率达到 24.5w，脉冲功率密度大于 6 w/mm，具有较 好的微波功率特性。该结果为目前国内 x 波段 gan mmic 输出功率和功率密度最高的报道，同时也是 国内第一个全部实现国产化的高功率 x 波段 gan mmic。 从国内外 gan 研究动态可以看出，algan/gan hemt 的研究将朝着更高的功率输出，更高的工作 电压， 更高工作频率方向发展。 algan/gan hemt 应用范围在不断拓宽， 在产品方面 algan/gan hemt 正在逐步从分立元器件向 gan 集成电路（例如 mmic）方向发展。 1-2 研究的研究的目的和意义目的和意义 宽禁带半导体 gan 材料有很多材料特性（如耐高温，抗辐射等特性）优于第一、二代半导体，因 此在航空航天、 卫星通信以及野外雷达通信等领域具有广阔的应用前景。 就目前而言， 虽然 gan hemt 的研究取得了许多进展，但迄今所报道的 gan hemt 一些性能指标与理论值还存在很大差距，依旧存 在很多问题。国内 gan 器件不能产品化的主要原因是可靠性问题一直得不到解决，例如击穿电压低、 器件退化严重等，一直制约着 gan 器件实用化进程。新型器件结构是今后 gan 器件研究的主要发展方 向之一，本文正是从逆压电效应作用机理出发，通过改变器件结构，即采用源漏凹槽结构来改变器件的 电场分布，减少垂直电场分量，从而抑制逆压电效应，减小电流崩塌，提高器件击穿电压，提高器件的 工作特性。因此，开展 algan/gan hemt 逆压电效应的研究具有十分重要的实用意义。 1-3 本论文研究的主要内容本论文研究的主要内容 本文首先通过引出逆压电因子提出了逆压电效应模型，并利用该模型研究了 algan/gan hemt 中 逆压电效应对异质结界面处 2deg 的影响。为了抑制逆压电效应，在器件制作过程中采用源漏凹槽结 构来减小电流崩塌量及源漏间电阻，提高器件的击穿电压。 第一章介绍了 gan hemt 的发展历程及论文研究的主要内容。 第二章主要介绍了 algan/gan hemt 的基本原理，其中包括 gan 材料的自发极化效应，压电极 化效应，algan/gan 异质结界面处的二维电子气形成机理及 gan hemt 器件的工作原理。 第三章通过引出逆压电因子提出了逆压电效应模型， 并利用该模型对 algan/gan 异质结界面处的 极化电荷进行分析。结果表明：当器件处于工作状态下，由于附加电场的作用导致 algan/gan 异质结 界面处压电极化电荷密度降低，从而降低了沟道处 2deg 的浓度。 第四章对抑制逆压电效应的技术进行了探讨。首先论述了源漏凹槽 gan hemt 器件的基本结构和 器件研制的工艺流程，然后通过测试不同凹槽结构器件的源漏间电阻、电流崩塌量及栅源、栅漏击穿电 压来分析凹槽深度与源漏间电阻的关系， 以及不同凹槽结构对电流崩塌、 器件击穿电压及栅极漏电流的 影响。 第五章 对全文工作进行总结。 algan/gan hemt 逆压电效应模型及抑制技术的研究 8 第二章 第二章 algan/gan hemt 的基本的基本原理原理 2-1 algan/gan 异质结中的极化效应异质结中的极化效应 在 gan 基功率器件中，目前研究最多的是 algan/gan hemt27。algan/gan 异质结构在异质结 界面处具有很高的二维电子气（2deg）浓度28，达到 1013量级，其成因主要是 gan 材料的极化效应， 其中包括自发极化(spontaneous polarization)和压电极化(piezoelectric polarization)两种极化效应29-34。 由 于极化效应的存在，从而在 algan/gan 异质结构中形成一个很强的极化电场，从而在异质结界面处感 生出高浓度的 2deg。 2-1-1 自发极化自发极化 自发极化是指晶体没有发生应变时因晶格的不对称性而在材料内部形成极化电场， 这是由于形成共 价键的两个原子电负性存在差异， 从而使得电子云偏向其中电负性较强的原子， 宏观表现为在晶体的上 下表面分别出现净的正、负电荷。通常用自发极化强度系数 psp来表示材料的自发极化强度，其方向取 决于晶格的极化方向， 规定 gan 的晶格方向是沿0001轴由 n 面指向 ga 面为正方向。 其中， aln、 gan 和 inn 材料的自发极化强度系数如表 2.1 所示。 a() c() u psp(c/cm2) e33(c/cm2) e31(c/cm2) c13(gpa) c33(gpa) aln 3.112 4.982 0.38 -0.081 1.46 -0.6 108 473 inn 3.54 5.705 0.377 -0.032 -0.57 0.97 92 224 gan 3.189 5.185 0.376 -0.029 0.73 -0.49 103 405 从表 2.1 中可知，aln、gan 和 inn 的自发极化强度系数均小于零，表明其自发极化强度方向与规 定的正方向相反。gan 与 algan 材料的自发极化方向及其表面形成的净正、负电荷如图 2.1 所示。 氮化物半导体中出现非零的自发极化是由于纤锌矿结构具有较低的对称性， 在晶体中形成一个非零 偶极子，它不受诸如应力或外加电场等外界条件的影响36。图 2.2 为 n-面 gan 自发极化示意图，由于 n 原子比 ga、al、in 原子的电负性要强，电子云偏向 n 原子，从而使形成的四面体结构变形，/c a的 表 2.1 部分-族材料参数表35 table 2.1 the material parameter of - group 0001 图 2.1 0001方向生长的 gan 与 algan 自发极化方向 fig.2.1 the direction of 0001 gan and algan 河北工业大学硕士学位论文 9 值要远小于理想结构中的值。结构的不对称性使得 gan 材料在没有外加电场的情况下也会出现极化电 场，而在垂直于c轴的面上极化矢量和为零，因而只表现出沿c轴方向的极化作用。图 2.3 为 gan 纤锌 矿结构的示意图，从图中可以看出，由于c轴方向缺乏对称性，这就使得（0001）面的外延晶体生长有 两个可能的极化方向。 自发极化是沿着纤锌矿c轴 z方向，且极化强度为 spsp p = p z。 2-1-2 压电极化压电极化 压电效应是 1880 年 j. curie 和 p. curie 首次发现的。当晶体受到机械应力而发生应变时，在其表 面就会出现感应电荷，若一面为正电荷，则另一面为负电荷，一般称这种效应为正压电效应，即平常所 指的压电效应， 同时在晶体中还存在着逆压电效应， 即当电场作用于晶体时， 晶体将发生应变。 实际上， 在晶体中正、逆压电效应通常是同时存在的。 压电极化效应是由于晶格受到应力作用产生极化电场，在 algan/gan hemt 中，由于纤锌矿结构 的 gan 晶体属于六方晶系 c6v点群，属于非中心对称点群，其对称操作为：e， 6 c， 3 c， 2 c， 3 c， 6 c， 1d ， 2d ， 3d ， 1v ， 2v ， 3v ，生成群元为 6 c和 1v 。因为 gan 晶体属于非对称点群， 故其晶体中存在极轴， 沿极轴的方向表现出极性， 但在顺着极轴方向和逆着极轴方向会表现出截然相反 的性质。在蓝宝石衬底上沿c轴方向生长的 gan 晶体，其极轴沿c轴的方向。当受到外力作用时，在 弹性限度内发生的形变不会破坏晶体原有的对称性， 沿极轴方向的相对位移会出现不对称性， 从而使晶 图 2.4 algan 晶体应变示意图 fig. 2.4 stress of algan crystal y x a 0 ax s1 s2 图 2.3 纤锌矿结构的 ga 表面、n 表面图36 fig. 2.3 ga face and n face of wurtzite gan 图 2.2 n-面 gan 自发极化示意图36 fig.2.2 n-face of gan spontaneous polarization algan/gan hemt 逆压电效应模型及抑制技术的研究 10 体的正、负电荷中心不再重合，即产生了压电极化效应。极化大致可分为三种类型：电子的位移极化， 离子的位移极化和固有电矩的取向极化。对于在 gan 晶体上赝配生长 algan 异质结，由于两种晶体的 晶格常数存在差异（algan 的晶格常数小于 gan 的晶格常数） ，故 algan 层的晶体发生了张应变，从 而在沿极化轴c方向产生极化现象即压电极化效应，同时在上下两个表面产生极化电荷。 晶体的压电极化强度系数p可用式（2.1）表示： :pd t （2.1） 其中，d为晶体的压电模量，为三阶张量；t为应力张量，为二阶张量。为了计算简便，在计算 过程中把d简化为一个3 6的张量，将t简化为一个具有六个元素的列向量。压电极化也可表示成为 压电应力系数（又为压电系数）e与应变s的关系： :pe s （2.2） e与d的关系可用晶体的弹性系数求得。由于在 algan/gan 异质结构中，在 gan 层上赝配生长 algan 材料，其晶格常数将发生变化，等效于在沿c轴的方向上受到应力的作用，由于这个力的直接作 用表现为 algan 晶体晶格的变化，无法直接测出这个等效的力，因此如式（2.1）不适用于求解类似这 样的压电效应。 但可以从应变的角度考虑， 直接从晶格变化的角度表达出在三个坐标轴方向的应变分量， 容易求得沿坐标轴的应变张量，应变其他的三个分量均为 0，因此在计算中使用式（2.2）可求解压电极 化矢量。 由晶体物理的知识可知，属于 c6v点群的压电晶体其压电模量d具有如下形式： 15 15 313133 00000 00000 000 d dd ddd （2.3） d有三个独立变量，弹性张量c的形式为： 111213 121113 131333 44 44 1112 000 000 000 00000 00000 1 00000 2 ccc ccc ccc c c c cc （2.4） 这是一个经过简化的6 6的张量，有五个独立变量。 极化张量e可表示为： 河北工业大学硕士学位论文 11 111213 121113 15 131333 15 44 313133 44 1112 15 15 313133 : 000 000 00000 000 00000 00000 000 00000 1 00000 2 00000 00000 000 ed c ccc ccc d ccc d c ddd c cc e e eee （2.5） 其中， 3131111233 13 edccd c， 33133133 33 2ec dd c， 1515 44 ed c。 通过将式 （2.3） 与式 （2.5） 比较，可以看出极化张量e与压电模量d具有相同的形式。 在 algan/gan 异质结的制备