（微电子学与固体电子学专业论文）高k栅介质algangan+moshemt器件性能研究.pdf

摘要 摘要 g a n 基h e m t 器件具有较宽的禁带，高二维电子气浓度，高电子迁移率以及 高击穿电压等特性因而在高微波功率器件上有着极大的应用潜力。为了减小栅泄 漏电流，m o s 结构被添加到g a n 器件中，而随着器件进入纳米尺度，作为m o s 结构传统栅介质的s i 0 2 材料将无法应对粒子的隧穿效应，因此以高k 材料作为栅 介质的a 1 g a n g a nm o s h e m t 器件开始被人们广泛研究。 本文首先利用i s e t c a d 搭建了以h i d 2 作为栅介质的a 1 g a n g a n m o s h e m t 器件。在此基础上，对a l 组分和a i g a n 层厚度对二维电子气密度的 影响进行了模拟分析，接下来对器件的转移特性、跨导、输出特性、器件的击穿 电压以及低频下的电容特性进行了模拟，并对器件在不同的参数条件下的直流性 能进行了研究与分析。 本文还研究了不同脉冲条件对高，( 栅介质的m o s h e m t 器件电流崩塌程度的 影响情况，然后本文对抑制电流崩塌效应的措施进行了模拟，首先对以不同材料 ( s i n ，h i d 2 ，s i 0 2 ) 作为钝化材料对电流崩塌改善情况进行了对比，最后在以s i n 为钝化材料的基础上添加场板，对均匀栅场板结构对电流崩塌的抑制情况进行了 模拟，并对这些措施能够抑制电流崩塌的机理进行了分析。 关键字：高kg a nm o s h e m t 电流崩塌 a b s t r a c t a b s 仃a c t t h ed e v i c eo fg a nh e m th a st h ea d v a n t a g e so faw i d eb a n d g a p ，l a r g ed e n s i t yo f 2 d e g ，h i g hm o b i l i t yo f t h ee l e c t r o na n db r e a k d o w nv o l t a g e ，s oi th a sag r e a ts u p e r i o r i t y i nt h ea p p l i c a t i o no ft h eh i g hm i c r o w a v ep o w e rd e v i c e i no r d e rt or e d u c et h eg a t el e a k a g ec u r r e n t ，t h em o s - s t r u c t u r ei sa d d e dt ot h eg a n d e v i c e w i t ht h es c a l eo ft h ed e v i c ei n t on a n o 1 e v e l ，t h et r a d i t i o n a lm o s - s t m c t u r ew i t h t h es i 0 2a si t sg a t ed i e l e c t r i cm a t e r i a lw i l lf a c et h ep r o b l e mo fi t sp e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o nc a u s e db yt h et u n n e l i n ge f r e c t s ot h ea i g a n g a nm o s - h e m td e v i c e 、柝t i lt h eh i 【g h km a t e r i a la si t sg a t ed i e l e c t r i cm a t e r i a li sw i d e l ys t u d i e d a na i g a n g a nm o s h e m td e v i c ew i t hh f 0 2a si t sg a t ed i e l e c t r i cm a t e r i a li s b u i l tb yu s i n gi s e t c a d f i r s t l y ，as t u d yo ft h ee f f e c to ft h ea 1c o m p o s i t i o no r t h i c k n e s so ft h ea 1 g a nl a y e ro nt h ed e n s i t yo ft h e2 d e gi sm a d eb ys i m u l a t i o n 、析t l l i s e s e c o n d l y ，t h ed e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s ，t r a n s c o n d u c t - a n c e ，o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ，t h eb r e a k d o w nv o l t a g eo f t h ed e v i c e ，a n dt h ec a p a c i t a n c e o nl o wf r e q u e n c y ，a r es t u d i e db ys i m u l a t i o n f i n a l l y ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tc o n d i t i o n s o nt h ed cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e v i c ea r es t u d i e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ee 仃e c t so fd i f f e r e n tp u l s ec o n d i t i o n so nt h ec u r r e n tc o l l a p s eo ft h em o s h e m td e v i c ew i t hh i g h - kg a t ed i e l e c t r i ca r ea l s os t u d i e db ys i m u l a t i o n a n dt h e n ，t h e i n h i b i t i o nm e a s u r e so nt h ec u r r e n tc o l l a p s ea r es t u d i e da n ds i m u l a t e db yi s e f i r s t l y ， d i f f e r e n tm a t e r i a l ss u c ha ss i n ，h f 0 2a n ds i 0 2a r ea d d e dt od e v i c e sa sp a s s i v a t i o n m a t e r i a l s ，r e s p e c t i v e l y ，a n dt h e nt h ec u r r e n tc o l l a p s eo f t h e s ed e v i c e sa l es i m u l a t e da n d c o m p a r e d f i n a l l y ，ad e v i c e 、 ，i t l ls i na sp a s s i v a t i o n m a t e r i a la n dt h ef i e l d p l a t e s t m c t u r ei sb u i l ta n dt h ee f f e c to ft h eu n i f o r mg a t ef i e l dp l a t es t l l l c t l l r eo nt h ec u 盯e n t c o l l a p s ei s s t u d i e d a l lo ft h em e c h a n i s m so ft h ei n h i b i t i o nm e a s u r e so nt h ec u r r e n t c o l l a p s ea r ea n a l y z e d ，r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：h i g h - k g a nm o s - h e m tc u r r e n tc o l l a p s e 第一章绪论 1 1 1g a n 器件的应用前景 第一章绪论 1 1g a n 器件的应用前景 近十余年来，在半导体材料和器件的研究领域中，g a n 材料的研究已经成为 研究的前沿和热点，并且和s i c ，金刚石等材料被誉为继以s i ，g e 和g a a s 为半 导体第一代，第二代材料之后的第三代半导体材料。表1 1 为g a n 材料与第一， 二代材料之间的性能对比。 表1 1 几种半导体材料的性能参数f l 】 m a t e r i a l e g ( e v )r ( w k c m )l a ( c m 2 n s ) b f o mj f m s i1 11 51 3 0 01 1 41 01 0 g a a s1 40 5 45 0 0 01 3 19 63 5 s i c2 945 6 09 73 16 0 g a n3 41 31 5 0 09 52 4 68 0 由表1 1 可以看出g a n 材料与其他材料相比有很大的优势。 此外，g a n 材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，其包括g a n ，a l n ， i n n 以及三元合金a 1 g a n 等等材料，g a n 及其合金的禁带宽度从i n n 的1 9 e v 一 直连续变化到a i n 的6 2 e v ，其带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。 作为光电器件，g a n 系材料表现出来得应用价值和商业潜力主要集中在以下三 个方面【2 】： 一是特种光源和显示，g a n 基的蓝、绿光l e d 和已经成熟的红光l e d 为全彩显 示提供了完备的三基色。l e d 具有体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、 防爆、节能、使用寿命长( 可达1 0 万小时) 等特点，使其在大屏幕彩色显示、车辆、 交通、多媒体显像、l c d 背光源、光纤通信、卫星通信和海洋光通信等领域有广 泛的应用。 二是半导体白光照明产业，半导体白光照明将成为白炽灯、荧光灯之后的又一 次照明革命，是g a n 系材料最诱人的市场，已经被各国政府视为涉及国计民生的战 略性问题。 三是短波长激光器。光盘记录和再生的可能的容量与光源波长的2 次方成反比。 因此，光源短波化是实现高精细d v d 的关键，短波长l d 取代红外光等激光器作为 2 高k 栅介质a i g a n g a nm o s h e m t 器件性能研究 d v d 光头的光源是必然趋势。另一方面，由于光盘系统所用的光学元部件及光盘 片材料的光学透过率等方面的限制，波长也不能太短。两方面综合考虑，光源的 波长要求在4 0 0 - - 4 3 0 n m 间，正属于g a n 系材料的发光波段。 同时，g a n 作为禁带宽度为3 4 e v 的宽禁带半导体，不但具有高的击穿电压， 高的热导率以及高的电子饱和速度，而且还具有很强的抗辐照能力和化学稳定性。 再加上其导带底与导带的其他能谷之间的能量差较大，因而不容易会产生谷间散 射，因此它的电子漂移速度不容易饱和，从而能够得到高的强场漂移速度，这些 特点使其在高温器件和高微波功率器件上有极大的应用潜力。 另外g a n 器件的发展与其合金构成的a i g a n g a n 等异质结系统有很大的关 系。g a n 为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构，晶格对称性比较低，具有 很强的压电极化和自发极化特性，在非掺杂的情况下也能在a i g a n g a n 异质结界 面附近产生很强的压电极化和自发极化， 制了异质结的能带结构，形成三角势阱， 从而感生出高密度的界面电荷；进而调 加强了对2 - d e g 的二维空间限制，从而 提高了2 - d e g 的面密度( 其量级可以达到1 0 1 3 c m 2 ，比g a a s 异质结中的2 d e g 要 高一个数量级) 。由于很高的2 - d e g 面密度能够有效地屏蔽光学声子散射、电离杂 质散射以及压电散射等因素，从而使a i g a n g a n 的电子迁移率能够达到一个很高 的程度。这些都使得g a n 器件有效输运性能并不亚于g a a s ，所以g a n 器件在制 作微波功率器件上特别是在微波输出功率密度上具有极大的优势。 1 1 2g a n 器件的研究进展 从1 9 9 3 年g a nh e m t 器件问世以来，经十几年的研究与发展，g a n 器件至今已 进入关键的发展阶段，并且取得了很大的成果。 一在高微波功率密度p a x 方面： 2 0 0 3 年，ya n d o 等人首次将场板技术引入到g a nh e m t 器件中，提高了g a n h e m t 器件的击穿电压，由于栅场板的使用，使得栅极下的电场峰值减小，器件击 穿电压升高，从5 0 v 增 j i 至j j l 6 0 v ，同时，由于电场强度的降低，使得电子成为热 电子的可能性下降，使得器件表面陷阱密度降低，再加上场板上的电压会对栅漏 间的载流子密度进行调制，进而减小了器件表面态对器件性能的影响。 2 0 0 4 年，ye w u 等人【3 j 设计了均匀场板结构，即在a 1 g a n 层上先淀积一层均匀 厚度的钝化层，再在钝化层上增加场板结构，优化了栅场板结构，然后通过对栅 长、钝化层厚度以及场板长度的控制，把对增益有影响的寄生电容有效的控制在 了栅电容的百分之十到百分之十五这个范围内，他们的实验得到在8 g h z 的条件下， 使得栅宽为2 4 6 1 a m ，栅长为1 1 9 m 的g a n 基h e m t 的功率密度p a x 达到了 3 0 6 w m m ，其增益达到了1 0 7 d b ，它的功率附加效率p a e 为4 9 6 。 第一章绪论 3 在2 0 0 5 年，w a t a r u 等人【4 】设计出了双场板结构，即第一层为场板与栅结合。第 二层场板是在介质覆盖的第一场板上面增加的一个源终端场板，双层场板临界击 穿时，与均匀场板性比器件的电场分布存在四个电场峰值，使得覆盖面积增大， 从而使击穿电压升高。其取得的结果为在4 g h z 的条件下，使栅宽为2 4 6 1 a m ，栅长 为1 1 p m 的g a nh e m t 器件的功率密度p a x 达4 1 4 w m m ，其增益达到1 4 d b ，功率 附加率p a e 为5 4 8 。 2 0 0 7 年，yp e j 等a t 5 】采用了凹槽斜栅结构，有效的缩短了栅极到沟道的距离， 同时使得电场更加平缓，增强了对沟道的控制作用，降低了电性能的离散程度， 提高了器件击穿电压同时提高了器件的跨导，使得栅长为6 5 0 n m 的g a nh e m t 的器 件，在1 0 g h z 的条件下，其功率密度p a x 达到2 0 9 w m m ，功率附加率p a e 达到4 0 。 2 0 1 1 年，k u o 等人1 6 】同时采用场板和a i g a n i n g a n g a n 双异质结结构，通过 在a 1 g a n 层和g a n 中间增加一层薄的i n g a n 层，加强对二维电子气的控制，因为 i n g a n 层能够提升a i g a n 和g a n 之间的势垒高度，而且i n g a n 层中能够具有更大的 感应极化场，使得h e m t 器件在2g h z 条件下，功率密度p a x 达到1 5 w m m 。 二在高频性能方面： 2 0 0 6 年，m h i g a s h i w a k i e t a l l 7 - 3 1 ，采用m i sh e m t 结构，同时通过提高a 1 g a n 势 垒层的生长质量，并通过催化式c v d t _ 艺淀积了s i n 钝化层，抑制了电流崩塌效应 的同时获得了更高浓度的二维电子气使得栅长为6 0 n m ，栅宽为1 0 0 p m 的h e m t 器件 的特征频率f r 达到了1 6 3g h z 。同年，该小组通过把栅长长度缩减至u 3 0 n m ，将特征 频率f r 提高到了1 8 0g h z 。到了2 0 0 8 年，该小组又通过将a 1 g a n 层厚度减至原来的 一半，使得该h e m t 器件的特征频率f r 达到了1 9 0g h z 。 2 0 0 9 年d a d e e n l 9 】等人通过a l d 生长h i d 2 作为栅介质，得到了3 6 n m 厚度的 h i d 2 栅介质的g a n 器件，栅长1 3 p m ，其f ￥和f m a x 分别为9 和3 2 g h z 。目前g a nh e m t 器件的加工尺度已进入了g a n 纳电子的范畴，其f t 己达至u 1 9 0 g h z t l o 】，正向f ：r 为3 0 0 g h z 至i j 5 0 0 g h z 进军。由于g a n 器件在栅长达到1 0 n m 量级时，其击穿电压还能不低 于l ov ，这使得g a n 器件在数模和射频电路领域的后续发展中的具有很强的竞争 力。 三在实际工程运用方面： g a n 基h e m t 器件在微波，大功率上的优秀性能使得其在雷达，通讯领域得到 了获得了科研人员的极大关注，而其优秀的抗辐照特性使其在空间领域也极具潜 力。 根据k a t z a 等人【l l 】在2 0 1 0 年的报道，已经研制出了用于移动通讯卫星上使用的 g a n 固态功率放大器，该放大器使用了具有高工作电压的g a nh e m t 器件，并且应 用了模拟预校正线性电路的技术，使得放大器在2 9 0 m h z 到3 2 0 m h z 的频率范围内， 获得了极大的功率密度和效率，该器件的峰值功率达到了1 7 0 w ，功率附加率p a e 4 高1 c 栅介质a i g a n g a nm o s h e m t 器件性能研究 达到了6 0 。在w c d m a 信号下，其邻道泄漏比为2 5 d b ，输出功率达到了8 0 w ， 功率附加率达到8 0 。 g a nh e m t 器件由于其很高的击穿电压和功率密度，在超宽带功率放大器应 用研究中也取得了相当程度的进展。2 0 1 0 年r e e s e 等人【1 2 】报道了一种由g a n 基器件 制作的超宽带放大器，该放大器使用了1 0 个栅长为0 2 5 微米的g a nh e m t 器件，使 用了非均匀分布放大器的结构，在提高工作电压的同时降低了负载阻抗，因此获 得了很高的输出功率。该器件在1 8 g h z 的条件下，其功率密度可以到达7 w r a m ， 其功率附加率为5 0 。 1 2 高1 c 栅介质的a 1 g a n g a nm o s h e m t 的研究意义 虽然在十多年的研究中，g a n 基器件己经取得了巨大的进展，但依然有很多 可靠性问题需要解决，而作为g a n 基器件诞生起就随之被发现的电流崩塌现象就 是亟待解决的问题之一。其在大漏电压下测试或在r f 条件下表现出得漏电流大幅 减小，微波功率大幅度减小成为g a nh e m t 应用和推广的主要障碍。 此外，对栅漏电流的控制也是g a nh e m t 研究工作的重要课题之一。在g a n h e m t 的研究中发现【1 3 l ，在加高温时，处于夹断状态的器件在工作1 n 2 d , 时之后， 会出现漏电流突然增大的现象，经研究发现会发生这种现象的器件的其栅漏电流 均偏大，而那些栅漏电流较小的器件，在高温下工作时其可靠性很好。随着更深 入的研究发现对栅漏电流控制力强的同时电流崩塌现象比较轻微的器件具有更好 的器件可靠性，而且在研究中还发现g a nh e m t 器件要进一步提高工作电压，就 必须加强栅漏电流的控制，以提高器件长期可靠性。 因此能够有效降低栅泄漏电流的m o s 结构被添加到g a n 器件中，a 1 g a n g a n m o s h e m t 器件可以有效的降低器件的栅泄漏电流。而栅介质如果与a i g a n 层 形成良好的界面，就可以起到一定的钝化作用，这就可以综合钝化和m o s 结构的 优点，在减小栅泄漏电流的同时减小电流崩塌效应。因此栅介质的选择对 a 1 g a n g a nm o s h e m t 器件的性能具有重要的影响。 对于作为m o s 传统栅介质的s i 0 2 ，随着器件进入n r l 尺度，在遵循等比例缩 小原则的同时要追求更高性能的器件，就必须使栅氧化层厚度和沟道长度同时按 比例缩小，但是电压并不能随之按比例缩小，这就相当于增强了器件的内部场强， 当栅氧化层厚度降低到一定程度时，电子在强电场的作用下将具有相当高的能量， 如果这些电子具有的能量足够使之越过s i 0 2 的势垒进入s i 0 2 的导带，这就破坏了 栅氧化层的绝缘性，即发生了栅氧击穿。 另外，我们知道，即使粒子的能量小于势垒的高度，粒子仍然有可能越过势 垒，也就是隧穿。而当s i 0 2 层的厚度减到3 n m 以下时，隧穿现象就会表现得很明 第一章绪论 5 显，在s i 0 2 从3 5 n m 减d , n1 5 n m 的情况下【1 4 】，其栅漏电流的量级将会从1 0 d 2 增加到1 0 1 ，也就是s i 0 2 厚度减小1 2 的情况下，栅泄漏电流增长了1 3 个量级。 这会造成器件的性能极大的恶化。 由等效氧化层厚度e o t 的定义即高介电常数的栅介质和s i 0 2 栅介质要达到同 样大小的栅电容的时，s i 0 2 栅介质具有的厚度极为等效厚度，可知等效厚度为 1 5 n m 时高介电常数的栅介质所具有的厚度将远大于1 5 n m ，这就会有效抑制隧穿 电流。 再加上同样厚度下高介电常数的栅介质会使栅电容增大，这使器件能够增强 沟道对二维电子气得控制能力，而比较大的导带偏移量和禁带宽度可以有效的减 小栅泄漏电流。因此，对高1 c 栅介质的a i g a n g a nm o s - h e m t 器件的研究是十 分重要的。 为了使高1 c 栅介质的a i g a n g a nm o s h e m t 器件具有良好的性能，高k 栅 介质应该具有以下条件【1 5 j ： ( 1 ) 具有高的介电常数，这就增加栅介质的实际物理厚度，进而增加器件的击 穿电压。 ( 2 ) 与a i g a n 势垒层有良好的界面稳定性，能够保持好的材料特性，热稳定性 良好不与势垒层发生反应而形成合金或化合物，无界面扩散。 ( 3 ) 始终是非晶态或者其晶化温度要很高，如果是晶态或在高温下会结晶，这 将会形成高的漏电通道，不适合作为栅介质。 ( 4 ) 大的禁带宽度，大的导带和价带的偏移量，高的势垒高度。 栅介质的导带与价带与a i g a n 势垒层之间的偏移量会直接影响到载流子将要 跨越的势垒高度，因而会直接影响到隧穿电流，因此高1 c 材料应当具有很大的禁 带宽度和较大的导带和价带的偏移量，从而减小隧穿电流，提高器件的性能。 ( 5 ) 与a 1 g a n 势垒层具有良好的界面特性 高1 c 栅介质材料应该与a i g a n 势垒层具有良好的界面特性，也就是界面态密 度和缺陷密度要低。如果界面态密度很高将会导致费米定扎效应，即界面态密度 达到一定程度，与a i g a n 势垒层交换电荷，使得栅对器件导电沟道的控制力下降。 这些界面态会在r f 下捕获电子，造成延时，从而形成电流崩塌。另外，如果缺陷 密度较高，缺陷和陷阱会在禁带中引入的缺陷能级，这将会引起缺陷辅助隧穿， 也就是即便高1 c 材料具有大的禁带宽度，缺陷能级的存在会成为隧穿电子的平台， 严重影响器件的性能，所以高k 栅介质材料必须具备低的界面态密度和缺陷密度。 本文在仿真中采用h 幻2 作为器件的栅介质。 6 高k 栅介质a i g a n g a nm o s h e m t 器件性能研究 1 3 本论文的工作及内容安排 本文第一章简单介绍了g a n 基器件的应用优势和发展潜力，对g a n 器件近期 的研究进展进行了简要的说明，并对研究高k 栅介质的a i g a n g a nm o s 器件的 必要性进行了一定程度的分析。 第二章对a 1 g a n g a n 的极化效应和二维电子气的形成进行了分析，分析了 a i g a n g a n 器件的工作原理，研究了电流崩塌现象以及其形成机制，对模拟用到 的基本物理模型和迁移率模型进行了介绍。 第三章首先对高k 栅介质的a 1 g a n g a nm o s h e m t 器件的基本物理特性如能 带结构和二维电子气密度进行了仿真，然后对a l 组分和a i g a n 层厚度对二维电子 气密度的影响进行了分析，接下里对器件的转移特性，跨导，输出特性等进行了 仿真，对器件的击穿电压以及低频下的电容特性进行了模拟。最后在不同的参数 条件下对器件的性能进行了研究。 第四章首先给出了电流崩塌仿真中所用的电路结构模型，接着对脉冲下模拟电 流崩塌的方法进行了分析，然后在不同脉冲条件( 不同的脉冲频率，不同的脉冲高 度，不同的脉冲占空比) 下，对器件在栅电压为o v 时的输出特性进行了模拟仿真， 研究了不同的脉冲条件对高k 栅介质的m o s h e m t 器件电流崩塌程度的影响情 况，然后本文对抑制电流崩塌效应的措施进行了模拟，首先对不同材料( s i n ，h f 0 2 , s i 0 2 ) 作为钝化材料进行了模拟，对这三种材料对电流崩塌改善情况进行了对比分 析，最后在以s i n 为钝化材料的基础上添加场板，对均匀栅场板结构对电流崩塌 的抑制情况进行了模拟，并对这些措施能够抑制电流崩塌的机理进行了分析。 第五章对本文全文内容进行了总结。 第二章m o s h e m t 的基本原理与仿真的物理模型 7 第二章m o s h e m t 的基本原理与仿真的物理模型 2 1g a nh e m t 的基本工作原理 2 1 1a i g a n g a n 的极化效应及2 d e g 的形成 对a i g a n g a n 器件而言，其极化效应以及由于极化效应在a 1 g a n g a n 界面 处形成的2 d e g 对器件性能具有极其重要的影响，因此，对极化效应和2 d e g 形 成的分析对于了解g a nh e m t 器件是十分有必要的。 a 1 g a n 、g a n 晶体结构一般为六方纤锌矿或者闪锌矿结构( 在s a p p h i r e 或 6 h s i c 衬底上生长时均为纤锌矿结构，在s i 衬底上生长时为闪锌矿结构，本文仿 真是以6 h s i c 为衬底) 。纤锌矿结构虽然也是以正四面体结构为基础构成，它具有 六方对称性，即具有极轴但而不是立方对称性，即不是中心对称结构。非中心对 称结构意味着，至少在一个的晶格方向上，对称之后无法与原来的结构保持完全 一致，即存在沿特定轴的压电极化效应l l6 】。同时具有极轴意味着晶体具有自发极 化效应。因此在无外加电场时总的极化电场如式( 2 1 ) 所示。 匕耐= 厶+ 厶 ( 2 1 ) 其中p p e 为压电极化，p s p 为自发极化。 目前人们主要通过控制外延g a n 来控制极化方向的。用金属有机物化学气相 沉积( m o c v d ) 的方法生长的g a n 呈g a 面，而用分子束外延( m b e ) 的方法得到的 g a n 薄膜为n 面极化，但如果先于衬底上生长一层a i n 缓冲层，再进行分子束外 延生长得到的g a n 为g a 面极化【1 7 】。g a 面极化一般变现出比n 面极化更加优异的 电学特性，所以研究多以g a 面极化为主。 在没有外加应变的情况下，n 原子极强的电负性会使得电子从g a 原子向n 原子 偏移，从而产生电偶极矩，形成极化电场，般定义o a 至t j n 为 o 0 0 1 方向，因此自 发极化沿 0 0 0 1 方向，极化负电荷集中在g a 面【l 引。在应变层处，张应变时，压电 极化与自发极化同向，压应变时压电极化与自发极化反向。 p s q a i g a n i p p e 山张应变山 p s p i g a n 山 弛豫 s u b p s q a 1 g a n 山 弛豫 p s p i g a n j ， 弛豫 s u b p 8 r g a n 1 p ” 山压应变 p s q a i g a n 0 弛豫 s u b ( a ) 朋g 削层张应交( b ) a l g 削层弛豫( c )o a n 层压应变 图2 1g a 面极化下不同应变条件下a l g a n ，g a n 异质结自发极化以及压电极化方向【1 7 】 8 高k 栅介质a i g a n g a nm o s h e m t 器件性能研究 图2 1 为不同应力条件下，g a 面a i g a n g a n 异质结自发极化以及压电极化方 向，当g a i n 生长在较厚的s u b 上时，可以视为是弛豫的。即g a n 中自发极化的方向 应为 0 0 0 1 】，也就是指向s u b 方向，a 1 g a n e y p 。p 与g a n 相同。而由于a l n 的晶格常数 要比g a n 的小，在a l 组分较小的情况下，a 1 g a n 生长于g a n 层时将会受到张应力， 此时压电极化方向与自发极化方向相同，如图2 1 ( a ) 所示，自发极化与压电极化效 果相互加强。此时极化的存在使a 1 g a n g a n 界面处产生极化电荷6 ，正的极化电荷 6 将会吸引自由电子，另外由于极化场的作用将导致a i g a n g a n 异质结的界面势阱 加深形成三角势阱，那么这些被吸引的自由电子将会被限制在三角势阱中运动， 形成2 d e g ，如图2 2 所示。即使在a 1 g a n 层弛豫的情况下，如图2 1 ( b ) 所示，自发 极化依然会感生极化电荷6 ，但是不可避免的将会导致6 减小，从而导致2 d e g 密度 降低。而图2 1 ( c ) 中在a i g a n 上生长g a n 时，g a n 层处于压应变，压电极化方向将 会与自发极化相反，这会使自发极化和压电极化效果相互减弱，甚至会使得6 为负， 形成的将不是二维电子气，而是二维空穴气，而空穴迁移率降比电子迁移率要低。 因此从器件性能考虑，应该尽量采用如图2 1 ( a ) 所示的a 1 g a n g a n 异质结结构。 a 1 g a n g a n 、2 d e g 图2 2a i g a n g a n 能带示意图 f 对于如图2 1 ( a ) 所示的结构，在无外界电场时，其p 删如式( 2 1 ) 所示。而在 a 1 g a n g a n 界面上，极化感应电荷6 可由式( 2 - 2 ) 得出。 万= 删( a l g a n ) 一只删( g a n ) = ( a l g a n ) + 气( a i g a n ) 一0 ( g a n ) g a n 和a l n 的晶格常数，极化系数，弹性系数1 2 0 l 如表2 1 所示： 方i f i - - 与 0 0 0 1 相反。 ( 2 - 2 ) 表中负号表示 第二章m o s h e m t 的基本原理与仿真的物理模型 9 表2 1g a n 和a i n 的晶格常数，极化系数，弹性系数表 参数 单位g a na l n aa3 1 8 93 1 1 2 ca5 1 8 54 9 8 2 c a1 6 2 71 6 0 1 0 3 7 60 3 8 0 p s p c m 20 0 2 9 0 0 8 1 e 3 3 c m 20 7 31 4 6 e 3 1 c m 20 4 9 o 6 0 c 1 3 g p a 1 0 3 1 2 7 c 3 3 g p a4 0 53 8 2 a 1 。g a l x n 材料的各项系数由a l n 和g a n 根据a l 组分x 线性计算得出，分别如式 ( 2 - 3 ) - 式( 2 12 ) 所示。 晶格常数： 压电系数： 弹性系数： 自发极化系数： 压电极化： a ( x ) = ( - 0 0 7 7 x + 3 18 9 ) 10 1 0 ( 研)( 2 - 3 ) 巳l ( x ) = ( - 0 1l x - 0 4 9 ) ( c m 2 ) e 3 3 = ( 0 8 2 x + 0 7 3 ) ( c m 2 ) c 1 3 = ( 5 x + 1 0 3 ) ( g p a ) c 3 3 = ( - 3 2 x + 4 0 5 ) ( g p a ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 岛( 彳l 6 讧一，) = ( 一0 0 5 2 x 一0 0 2 9 ) ( c m 2 ) ( 2 - 8 ) 置。( a i ，g a l 一，n ) = 2 0 0 o ( x ) o o 】【e 3 3 ( x ) c 1 3 ( 工) c 3 3 一巳l ( x ) 】( 2 - 9 ) 将式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 带入式( 2 - 2 ) 得到： 万= 2 0 0 o ( x ) o o 】【吃3 ( 工) c 1 3 ( x ) c j 3 一e 3 l ( x ) 】+ 只驷( x ) 一岛( o ) ( 2 - 1 0 ) 另外其介电常数： l o 高k 栅介质a i g a n g a nm o s h e m t 器件性能研究 禁带宽度： 占( x ) = - 0 5 x + 9 8 ( 2 1 1 ) = x e g ( a i n ) + ( 1 - x ) e g ( g a n ) - b x o 一力 ( 2 1 2 ) 2 1 2a i g a n g a nm o s h e m t 的工作原理 g 可 h f 0 2 r 一可一 a 1 g a n 。制 g a n a i n s u b 图2 3 以h f 0 2 为栅介质的a i g a n g a nm o s h e m t 结构示意图 图2 3 为a l g a n g a nm o s h e m t 的典型器件结构，在本论文中s u b 为6 h s i c ， 在其上为a 1 n 层，未掺杂的g a n 层以及a i g a n 层。2 d e g 存在于g a n 层，在空 间上与为其提供电子的电离施主分离，所以受到的电离杂质散射较小，另外加上 2 d e g 的密度很高，也可以对电离杂质散射形成屏蔽作用，进一步减小了电离杂质 散射的作用，而且2 d e g 位置处于a 1 g a n g a n 界面下方位于g a n 部分，受到的 表面杂质散射也较小，因而2 d e g 将会具有很高的迁移率。 一般，源极和漏极与器件形成欧姆接触。在器件工作时，电子从源极进入g a n 的2 d e g 层中，在源漏电压的作用下由源极向漏极运动，形成漏电流。栅极通过 栅压控制a 1 g a n g a n 中得2 d e g 浓度来对漏电流进行调制。 a 1 g a n g a nm o s h e m t 器件可以分为长栅和短栅两种，其中在长栅器件中， 它的电子漂移速度没有达到饱和，而在短栅器件中，电子漂移速度运动达到饱和。 长栅器件和短栅器件饱和区的电压电流关系1 2 1 】分别如式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 所 示。 ，嘲= g w 三i - 二。，l e l 2 d ( ) c 跏 ( 2 - 1 3 ) g 口_ j r 腑= ( 窖) 【他d 一嘞d ( 一) 】 ( 2 - 1 4 ) 其跨导分别为式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 所示。 g 。= ( q w l ) n 2 d ( 2 - 1 5 ) 第二章m o s h e m t 的基本原理与仿真的物理模型 1 l 2 2 1 电流崩塌现象 g 舶= g r 2 d 2 2g a nh e m t 电流崩塌机理 ( 2 - 1 6 ) 在g a nh e m t 研究中，电流崩塌是影响g a nh e m t 可靠性，制约其进一步 走向实用化的重要因素之一。电流崩塌主要表现为在一定条件下，漏电流随着测 试大幅度减小。 根据测试条件，电流崩塌现象主要可以分为两种 2 2 1 ，第一种方式为高电场应 力条件下的电流崩塌，主要源于k h a n 等人的实验观察结果，主要表现当给g a n 器件施加一个很高的漏电压后，在一定时间的应力后，器件的输出电流大幅度衰 减。后来很多学者将这种现象成为电流崩塌。第二种是在r f 条件下的电流崩塌， 是由德国的k o h n 等人首先报道的，他们发现了器件的高频散射现象，主要表现为 器件在施加r f 信号后，器件的输出功率要比预期得到的小很多。此后陆续又有学 者报道了g a nh e m t 器件在r f 条件下输出功率密度和p a x 减小的情况。 器件的最大输出功率p m a x 可以由式( 2 1 7 ) 得出 一= 上砒吖( 圪，一。) 8 ( 2 1 7 ) 式中，i d m a ) ( ，v b r ，v i 【n 分别指器件在直流偏压下的最大输出电流，器件的击穿电 压，器件的膝点电压。 图2 4 是i 强条件下电流崩塌的示意副2 3 1 ，图中i d 湖。为直流下饱和输出电流， v k o 为直流下的饱和膝点电压，i d s m f 为r f 条件下饱和输出电流，v i d f 为r f 条件下 饱和膝点电压，结合式( 2 1 7 ) 可知，r f 下p m a x 将大幅度减小。 i 出m o i d f v x o v k f v d ( v ) 图2 4 电流崩塌示意图 1 2 高1 ( 栅介质a i g a n g a nm o s h e m t 器件性能研究 高电场应力条件下的电流崩塌和r f 条件下的电流崩塌最终都会导致器件的 输出电流减小，膝点电压增大，进而导致p 眦减小，器件性能恶化，因此，很多 学者将两者统称为电流崩塌。但两者的主要形成机理有所区别，前者主要为强电 场下g a n 中得陷阱能级俘获电子【2 4 1 ，后者主要为a i g a n 的表面态俘获电子2 弛6 1 。 2 2 2a i g a n g a n 器件电流崩塌机理 目前对电流崩塌的机理有很多种解释，或者是由多种原因共同作用，目前还 没有一个模型可以完全解释a i g a n g a n 的崩塌现象，目前主要的研究方向集中在 由陷阱导致的延迟和由应力影响导致的延迟两个方面【2 7 - 2 8 1 。 陷阱的来源主要有a 1 g a n 的表面，a i g a n 势垒层，a l g a n g a n 的界面，g a n 缓冲层，s u b 缺陷等形成的深能级。其中栅延迟与栅漏之间的电子陷阱也即a 1 g a n 的表面态陷阱有关，漏延迟与源漏区域的电荷交换有关，主要与g a n 缓冲层，s u b 缺陷等形成的深能级形成的陷阱有关。 对于栅延迟，虚栅模型【2 9 j 是目前被认为最具有说服力的模型。由于a 1 g a n g a n 异质结结构具有很强的极化作用，在异质结界面g a n 一侧将形成密度很大的 2 d e g ，根据电中性要求，器件的表面将相应的感应出大量的正电荷态，这些正电 荷将会在器件工作过程中俘获电子，这个区域没有栅但却起到栅极的作用，这就 好比在栅漏电极之间存在另一个栅极，这就是所谓的虚栅。图2 5 为虚栅结构示意 图。 虚册 同、，o n f a 1 g a | n l i i l i l i i i l i l i i l i i l i l l i i i l l l i i i i i i i l i l i i i l 鲫以： 图2 5 虚栅示意图 虚栅的意义在于在r f 条件下，电子从栅处被注入到给沟道提供电子的施主态 处，也就是说电子补偿了表面施主态陷阱，降低了表面的空穴浓度，根据电中性 原理，也降低了与之相应的2 d e g 浓度，因此使得漏极电流和跨导减小，再加上陷 第二章m o s h e m t 的基本原理与仿真的物理模型 1 3 阱的充放电时间要比r f 信号的变化时间大，它与r f 信号不能够形成瞬间响应，使 得器件的漏极电流与直流时相比进一步减小，膝点电压增大，从而导致了器件的 最大输出功率减小，也就是说形成了崩塌。而且，s s u b 等人1 3 0 】利用开尔文扫描探 针显微镜对a 1 g a n 层的表面电势进行了测试，测试发现当对栅极施加负电压后，器 件的表面电势将会变负，而且当栅压被去掉后，器件的表面电势将逐渐恢复，其 过程与漏电流i d s 恢复过程趋势一致。这个研究结果进一步验证了虚栅模型，证明 了表面态俘获电子使表面空穴态密度降低，进而降低沟道2 d e g 浓度，是电流崩塌 发生的主要原因之一。 对漏延迟，由于a i g a n g a n 界面的晶格突变将会导致产生大量的界面态以及 缓冲层中的深能级将形成大量的陷阱，陷阱会俘获2 d e g 从而造成漏延迟，同时由 于陷阱的存在将导致迁移率降低，进一步影响器件性能，从而导致电流崩塌。 对于应力导致的电流崩塌的研究，s i m i ng 等人p l j 通过使用g t l m 方法对 a i g a n g a nh e m t 器件进行了测试研究，他们认为，在r f 的条件下，源漏栅之间 串联电阻的变