AlGaN%2fGaN+HEMT器件物理模型和关键工艺技术研究.pdf

电子科技大学 博士学位论文 algan gan hemt器件物理模型和关键工艺技术研究 姓名 罗谦 申请学位级别 博士 专业 微电子学与固体电子学 指导教师 杨谟华 20070301 摘要 摘要 传统的s i 和g a a s 基微波功率器件已经接近其性能极限 难以满足不断增长 的应用需求 由于具有材料参数上的优势 新兴的g a n 和s i c 基宽禁带半导体器 件可突破上述限制 达到常规半导体难于企及的性能指标 其中a 1 g a n g a nh e m t 被认为在1 5 0 g h z 频率范围具有很大应用潜力 其研究工作在近年来受到广泛关 注 目前a 1 g a n g a nh e m t 的器件物理和工艺技术还不成熟 本文围绕这两方面 开展了工作 从而有以下结果 1 综合应用微扰法和变分方法 求出了有限深三角形量子势阱中 p o i s s o n s h r o e d i n g e r 方程组的基态波函数和基态能级 所导出的公式简洁有效 物理意义明确 可直接应用于器件研究 对于a 1 0 2 g a oe n g a n 异质结典型结构 的计算表明 二维电子气最低子能带底部能级和费米能级分别位于势阱底部上 方0 1 9 e v 和0 2 9 e v 处 这与公开发表的数值计算结果o 1 9 e v 和0 2 8 e v 相当 接近 误差在1 0 m e v 左右 2 建立了用于在指定工作条件下优化a i g a n g a nh e m t 场板设计的解析模型 获得到了场板几何参量与器件电学参量的关系 并确定了优化场板结构的原 则 发现优化的场板介质厚度与给定的工作漏压呈近似线性关系 该模型对栅 场板和源场板的情况都适用 通过对a 1 g a n g a nh e m t 电场分布的研究 发 现受主陷阱效应显著影响沟道电场峰 改变器件击穿特性 定义了表征陷阱效 应与击穿特性关系的特征量 3 鉴于与a i g a n g a nh e m t 电流崩塌效应相关的表面陷阱充电过程用常规方法 难于监测 建立了一种新的电学测试方法 实验探测到了电压应力条件下表面 陷阱电荷的动态平衡态 确定出所测器件表面充电过程的时间常数为0 3 8 s 证 实表面陷阱之间存在电荷输运过程 并通过栅延迟测试实验 监测到应力后电 流崩塌驰豫过程具有小于o 1 s 和大于1 0 s 两类时间常数 这证实了在表面放电 时表面陷阱之间也存在电荷输运过程 测量得出了脉冲大信号条件下 a i g a n g a n 异质结构薄膜电阻的变化规律 定义了相应的特征参量 可用于表 征与电流崩塌效应相关的器件特性 4 建立了利用背靠背肖特基结构对g a n 薄膜及其肖特基接触进行测试的新方法 摘要 可得到材料电导迁移率 肖特基接触的理想因子和势垒高度 该方法避免了复 杂的欧姆接触制备过程 可推广用于欧姆接触难于形成或者其制备工艺显著影 响材料特性的情况 5 以t i a 1 和t i a 1 n i a u 两种不同的合金结构研究了g a n 上欧姆接触的制造工艺 和形成机理 在非故意掺杂g a n 薄膜上制成了高质量的t i a 1 n i a u 的欧姆接 触 其比接触电阻为6 6 1 0 击q t i n 2 对于上述两种金属 试验发现退火温 度高于7 0 0 时欧姆接触才开始形成 经俄歇电子能谱仪分析表明 在g a n 表 面形成欧姆接触需要a l 层与t i 层发生固相反应 并且g a n 表面有部份n 元 素扩散进入金属层 基于相关工艺实验 完成了a i g a n g a nh e m t 的试制 综上所述 在器件物理的研究中 本文旨在对与a 1 g a n g a nh e m t 高频大功 率性能密切相关的器件效应建立物理图像 并使之成为优化器件设计的依据 在 工艺技术方面 本文不仅关注工艺参数的优化 更加重视的是对工艺过程物理机 理的研究 器件物理和器件制造的进一步结合还需要在上述两个方面进行更为深 入的工作 关键词 氮化镓 a 1 g a n g a n 二维电子气 h e m t 场板 电流崩塌 欧姆接触 肖特基接触 a b s 仃a c t a b s t r a c t 1 1 l e p e r f o r m a n c e o ft r a d i t i o n a lm i c r o w a v ep o w e rd e v i c e su s i n gc o n v e n t i o n a l s e m i c o n d u c t o r ss u c ha ss ia n dg a a si sr a p i d l ya p p r o a c h i n gt h el i m i ts e tb yi n t r i n s i c m a t e r i a lp a r a m e t e r s t h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rh i 曲e rp o w e ra th i g hf r e q u e n c i e sh a s l e dt ot h ed e v e l o p m e n to f t h ed e v i c e sb a s e do ne m e r g i n gw i d eg a ps y s t e m ss u c ha sg a n a n ds i c i nt h e p a s t s e v e r a l y e a r s t h e r e s e a r c ho fa 1 g a n g a n h i g h e l e c t r o n m o b i l i t y t r a n s i s t o r s h e m t h a s a t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o na n d r e m a r k a b l ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e nm a d e i nt h i sw o r k t h ed e v i c ep h 7 s i c sa n dt h e f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo fa i g a n g a nh e m tw e r ei n v e s t i g a t e d t h em a j o rr e s u l t sa r e l i s t e d 1 t h ep r o p e r t yo f t w od i m e n s i o n a le l e c t r o ng a s 2 d e g i nt h et r i a n g l eq u a n t u mw e l lo f a 1 g a n g a ns t r u c t u r ew a ss m d i e d t h ee n e r g yl e v e la n dt h ew a v ef u n c t i o no f t h eb a s e s t a t ei nt h et r i a n g l e q u a n t u m w e l lc a nb eo b t a i n e db y s o l v i n g t h e c o u p l e d p o i s s o n s c h r o d i n g e re q u a t i o n sb a s e dam o d i f i e dt i m ei n d e p e n d e n tp e r t u r b a t i o nm e t h o d a n dt h et e c h n o l o g yo fv a r i a t i o nm e t h o d t h ed e d u c e de q u a t i o n sw e r es i m p l eb u t e f f e c t i v e w h e nt h em e t h o dw a sa p p l i e dt ot h ea i o2 g a o8 n g a ns y s t e m t h ec a l c u l a t e d l o w e s ts u b b a n dl e v e la n df e r m i l e v e lw e r eo 1 9 e va n do 2 9 e vr e s p e c t i v e l y w h i c h a 伊e e dw i t ht h ep u b l i s h e dn u m e r r i c lr e s u l t sw e l l 2 w i t hac h a r g ec o n t r o lm o d e lf o r 虬g a n g 烈h e m tw o r k e do u t a na n a l y t i c a lm o d e l f o rt h eo p t i m i z a t i o no ft h ef i e l d p l a t e f p s t r u c t u r eo fa i g a n g a nh e m ta tag i v e n d r a i nv o l t a g ew a ss u g g e s t e d t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ee l e c t r o n i ca n dg e o m e t r i c p a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e da n dt h ep r i n c i p l e sf o rt h ed e s i g no ff i e l d p l a t es t r u c t u r ew e r e o b t a i n e d t h i sm o d e li n d i c a t e sa n a p p r o x i m a t e l yl i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e o p t i m u mt h i c k n e s so ft h ei n s u l a t o rl a y e ra n dt h eg i v e nd r a i nv o l t a g ev d d t h el e n g t h o ft h ef i e l d p l a t ei sn o tc r i t i c a lt ot h eo p t i m i z a t i o nw h i l et h ee l e c t r i cf i e l dp e a k sa ti t s t w oe d g e sd on o ta f f e c te a c ho t h e re f f e c t i v e l y t h em o d e li sa v a i l a b l ei nb o t ho ft h e g a t e f i e l d p l a t es 佃 c t l l r c t h ed i s t r i b u t i o no fe l e c t r i cf i e l di nm g a n g a nh e m tw a s i n v e s t i g a t e d i ti sf o u n dt h a tt h ea c c e p t o rt r a p se f f e c t i v e l ya f f e c tt h ee l e c t r i cf i e l dp e a k s i i i a b s t r a c t i nt h ed e v i c e sc h a n n e l f o rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u c hp e a k sa n dt h eb r e a k d o w no f t h ea 1 g a n g a nd e v i c ei sk n o w n ac r i t i c a lp a r a m e t e rv kc a l lb ed e f i n e dt oc h a r a c t e r i z e t h ee f f e c t so f t h ea c c e p t o rt r a p so nt h ed e v i c e sb r e a k d o w nc h a r a c t e r 3 i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo fc u r r e n tc o l l a p s ei na 1 g a n g a nh e m t a n e wm e a s u r e m e n tm e t h o dw a ss u g g e s t e dt os t u d yt h et r a p p i n gp r o c e s so fe l e c t r o n s w h i c hi sv e r yd i f f i c u l tt oo b s e r v e w eo b s e r v e da na b n o r m a lt r a p p p i n gt i m er e s u l t i n g f r o mt h et r a n s p o r to ft h et r a p p e de l e c t r o n sa n dd e m o n s t r a t e dt h a tt h e r ew a sad y n a m i c e q u i l i b r i o n sd i s t r i b u t i o no ft h ec h a r g e ds u r f a c es t a t e s t h eg a t el a gm e a s u r e m e n tw a s a l s ou s e dt oi n v e s t i g a t et h ec u r r e n tc o l l a p s ee f f e c t w i t ht h em e a s u r e m e n t so fc u r r e n t c o l l a p s ee f f e c t s t w od i f f e r e n tk i n d so ft i m ec o n s t a n tw e r eo b t a i n e d t h el a r g e rk i n d c o r r e s p o n d st ot h et r a n s p o r t a t i o np r o c e s so ft h et r a p p e ds u r f a c oc h a r g e s t h e s er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h em o v e m e n t so fe l e c t r o n sb e t w e e nt h es u r f a c es t a t e so c c u ri nt h es u r f a c e d i s c h a r g i n gp r o g r e s s w i i l l as p e c i a l l yd e s i g n e da i g a n g a nh e m t t h ec u r r e n t c o l l a p s ee f f e c tw a si n v e s t i g a t e db yt h ee x p e r i m e n t s w h e np e r i o d i c a ls q u a r ep u l s e s i g n a l sw e r ea p p l i e do nt h eg a t e t h es h e e tr e s i s t a n c eo fa 1 g a n g a nf i l mw a s i n v e s t i g a t e d i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h es h e e tr e s i s t a n c ei saf u n c t i o no fb o t hs i g n a l s a m p l i t u d ea n df r e q u e n c y ac r i t i c a ls i g n a lf r e q u e n c yr e g i o ni sd e f i n e d s u c har e g i o ni s r e l a t e dt ot h es u r f a c ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o c e s s a n dc a nb er e g a r d e da sab a s i c p a r a m e t e rt oc h a r a c t e r i z ec u r r e n tc o l l a p s ee f f e c t 4 an e wm e a s u r e m e n tm e t h o df o rg a nf i l ma n di t ss c h o t t k yc o n t a c t sw a s d e v e l o p e d i t i sb a s e do nas p e c i a lb a c k t o b a c ks c h o t t k yd i o d e i n s t e a do ft h ef a b r i c a t i o no fo h m i c c o n t a c t s 1 1 1 em e t h o dc a nb ea d o p t e dn o to n l yf o rg a nf i l m sb u ta l s of o ro t h e r s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s e s p e c i a l l yi nc a s e sw h e r eo h m i cc o n t a c t so fh i g hq u a l i t ya r e h a r dt om a k eo rt h e i rf a b r i c a t i n gp r o c e s sa f f e c t st h ef i l m sc h a r a c t e r i s t i c b yu s i n gt h e m e a s u r e m e n tm e t h o d t h ec a l t i e rm o b i l i t yo ft h ee p i t a x i a lg a n t h eb a r r i e rh e i 9 1 1 ta n d t h ei d e a l i t yf a c t o ro f t h es c h o t t k yc o n t a c t sc a nb eo b t a i n e d 5 t h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo fa i g a n g a nh e m tw a ss t u d i e d t h eo h m i cc o n t a c t s o ng a nf i l mw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h eh i g hq u a l i t yt i a 1 n i a u g a no h m i cc o n t a c t s w e r eo b t a i n e d a n dt h em e a s u r e ds p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t i v i t yi sa tal o wl e v e lo f6 6 1 0 6 q 锄 2 i t i s f o u n d t h a t t h e t i a 1 一g a no rt j a 1 n 讥 u g a n o h m i c c o n t a c t d o n o t f o r mw h e nt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a n7 0 0 c t h ei n v e s t i g a t i o nb ya u g e r e l e c t r o ns p e c t r o s c o p i c a e s m e a s u r e m e n tr e v e a l e dt h a tt h er e a c t i o nb e t w e e nt h ea 1 i v a b s t r a c t l a y e ra n dt h et il a y e ri so n eo ft h et w ok e y sf o rf a b r i c a t i o no f0 h n l i cc o n t a c t so nt h e g a nf i l m s a n dt h a tt h eo t h c rk e yi st h en so u t d i f f u s i o nf r o mt h eg a n ss n u c t l l r ei n t o t h em e t a ll a y e r s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t sr e l a t i v et ot h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y t h e a 1 g a n g a nh e m tw a ss u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d i no u rs t u d yo fd e v i c ep h y s i c s w ea i m e dt ob u i l dt h ep i c t u r e so ft h ep h y s i c a le f f e c t s r e l a t i n gt ot h eh i g hp o w e rm i e r o w a v ea p p l i c a t i o n so f a i g a n g a nh e m ts u c hp i c t u r e s w e r ee x p e c t e dt ob eu s e dt od i r e c tt h ed e v i c ed e s i g n e f f o r t sf o rt h er e s e a r c ho fd e v i c e f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yh a v ea l s ob e e nd o n e n o to n l yt h ef a b r i c a t i o np r o c e s s i o n s t h e m s e l v e sb u ta l s ot h em e c h a n i s mo ft h e r nh a v eb e e ns t u d i e d a n dt h el a t e rw a s e m p h a s i z e di no u rp a p e r m o r ew o r k sn e e dt ob ed o n et os t r e n g t h e nt h ec o n n e c t i o n s b e t w e e nt h er e s e a r c h e so f t h ed e v i c ep h y s i c sa n dt h ed e v i c ef a b r i c a t i o n k e yw o r d s g a n a i g a n g a n 2 d e c 5h e m t f i e l d p l a t e c u r r e n tc o l l a p s e o h m i c c o n t a c t s s c h o t t k yc o n t a c t s v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特n j r 以标注和致谢的地 方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意 签名 弓1 乘 日期 z 口q 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或 扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 罗凉 导师签名 日期 6 缉f 猬力珀 第一章绪论 第一章绪论 1 1g a n 器件在微波大功率应用中的优势 随着微波技术的应用日益广泛 其对设备小型化的要求也越来越迫切 这就 需要实现微波元件固体化 但微波功率应用对晶体管的性能是很大的考验 常规 的以s i g a a s 等窄禁带半导体为基础的器件受材料自身的限制 在功率指标上很 难有进一步的提高 通常用作微波功率器件的g a a sm e s f e t 在工作频率超过 1 g h z 的条件下 其输出功率密度的最高纪录长期维持在1 5 w m m 左右 虽然这 个指标已接近材料允许的极限 但仍难满足很多应用场合的需求 新兴的第三代 半导体s i c g a n 和a 1 n 等材料具有禁带宽度大 耐压能力强的优势 有望突破 这一限制 近年来 g a n 基电学器件的研制受到越来越多的关注 其在微波大功率应用 方面的前景己逐渐显现 在g a n 基材料制作的晶体管中 目前研究最多的是 a 1 g a n g a nh e m t 它不仅具有输出功率大 截止频率高的优点 还具备对恶劣 工作条件的耐受能力 可望在传统器件所不能胜任的高温 强辐射环境中得到应 用 这主要得益于g a n 禁带宽度大 化学性质稳定 并具有优越的电学特征 表 1 1 是g a n 与其它半导材料的参数对照表 表1 1 材料参数对照表 材料 e g e v e re o v m k w k c m s t c m 2 v s v r a k c m s s i1 1 21 1 93 x 1 0 51 51 4 0 0l x l 0 7 g a a a1 4 31 2 54 x 1 0 50 5 48 0 0 02 1 0 7 h p1 3 41 2 44 5 x 1 0 50 6 73 4 0 0 0 2 1 0 7 4 h s i c3 21 0 0 1 5 x1 0 41 0 0 0 2 1 0 7 6 h s i c30 21 0 0 1 5 x 1 0 6 4 5 6 02 1 0 7 g a n3 3 99 53 5 x 1 0 61 39 0 0 3 x 1 0 7 室温下g a n 禁带宽度为3 4 e v 使得g a n 基器件能承受的电场强度比s i 基和 电子科技大学博士学位论文 g a n 基器件高5 巧倍 高电场强度意味着高击穿电压 因而g a n 基器件通常具有 较高的耐压能力 较高的电子饱和漂移速度使得g a n 材料在用于制作微波晶体管方面具有天然 的优势 图1 1 为几种常用半导体材料电子漂移速度与电场的关系曲线 图中显示 虽然g a n 的迁移率不是最高 但其电子饱和漂移速度约为3 1 07 c n v s 这是其它 几种材料所不及的 曰 曲艇f k 姬口v c m 图1 1 电子漂移速度与电场强度的关系 由于具有优越的电学特性 g a n 材料在功率应用方面具有很大的潜力 这可 以通过比较g a n 与其它半导体材料的j o h n s o n 优值因子和b a l i g a 优值因子看出 以s i 的品质因数作为单位 图1 2 给出了s i g a a s g h s i c 和g a n 几种材料的上 述两个优值因子 其中j o h h s o n 优值因子和b a l i g a 优值因子分别采用了文献 1 和 2 的定义 具体为 脚 髯2 2 1 1 1 b f o m 岛肛 1 1 2 其中e b 为击穿电场 v s 为电子饱和速度 80 为介电常数 p 为迁移率 与同为宽禁带半导体的s i c 不同 g a n 基材料易于制作异质结 调制掺杂的 a i g a n g a n 结构在常温下可具有1 5 0 0 2 0 0 0 c m 2 v s 的高电子迁移率 这使其在高 频微波器件制造中比s i c 更具优势 a i g a n g a nh e m t 二维电子气密度很高 通 常可达1 1 0 1 3 c l n 2 是a 1 g a a s g a a sh e m t 的4 5 倍 这主要是由于g a n 基材料 都是强极化材料 自发极化效应和由晶格失配引起的压电极化效应在a i g a n g a n 界面造成了大量的固定正电荷 这直接导致了高面密度二维电子气的形成 因而 a i g a n i g a nh e m t 可以输出大电流 再加上较高的耐压能力 这种晶体管一般具 2 i蕾苫己言昌 墨量古 第一章绪论 有很大的输出功率 图1 2 几种半导体材料的j o h n s o n 优值因子和b a l i g a 优值因子比较 如果只看击穿特性g a n 与s i c 差别不是很大 但是由于在s i c 上难于制作高 质量的异质结结构 s i c 基微波功率器件 主要是m e s f e t 一般使用体材料作导 电沟道 造成电子迁移率不高 渡越时间较长 一般认为s i cm e s f e t 最适合的 工作频率在7 g h z 以下 由于具有高载流子面密度高迁移率的导电沟道 对于g a b 基h e m t 不存在这种限制 1 5 0 g h z 的频域都是其理想的工作范围 图1 3 显示 了各个频率和功率汇范围内最为适用的半导体材料 图1 3 几种半导体的适用工作范围 综上所述 由于g a n 基电学器件在微波大功率应用方面具有独特的优势 对 其进行研究十分必要 电子科技大学博士学位论文 1 2a i g a n g a nh e m t 器件研究的历史和现状 最早g a n 材料是通过化学合成的办法获得的 但是该方法不能生产大块的 g a n 单晶 故而无法用于制作器件 随着薄膜生长技术的发展 h v p e h y d r i d e v a p a rp h a s ee p i t a x y 方法被用来生长g a n 单晶外延 受生长方法的限制 早期的 g a n 薄膜样品质量不高 有很多位错缺陷 并且背影载流子浓度很高 这使得非 故意掺杂的材料呈现强n 型 此时的g a n 晶体电学特性不稳定 且难于p 型化 大大制约了g a n 器件的研究 早期的g a n 外延材料质量不高与难以找到与之匹配的衬底有关 g a n 与蓝宝 石晶格失配高达1 4 直接生长在蓝宝石底上的g a n 薄膜有很高的缺陷密度 虽 然这一情况会随着膜厚的增大而改善 可是由于g a n 硬度很高 薄膜太厚就会造 成崩裂 后来的研究发现只要在生长g a n 晶体前在衬底上预先生长一层成核的 g a n 或a l n 层就可使g a n 与衬底之问的应力得到驰豫 从面大大提高薄膜质量 通过这一生长方法 并得益于m b e 和m o c v d 技术的运用 g a n 外延材料的质 量得以大幅度提高 2 0 世纪8 0 年代以后g a n 材料和器件的研究开始逐渐兴起 这使得针对g a n 上金半接触的研究成为必须 由于g a n 表面没有费米能级钉 扎现象 一般选用与g a b 功函数 4 1 e v 差不多的金属制作欧姆接触 a 1 的功 函数为4 0 8 e v 曾被被视为合适的候选项 1 9 9 3 年 f o r e s i 等人证明a i 的确可与 n g a n 形成欧姆接触 但其比接触电阻较大 为1 0 3 q 锄2 量级 3 后来的研究发现 通过退火处理 t i a i 合金可以在n g a n 表面形成质量较高 的欧姆接触 据b p l u t h e 等人1 9 9 7 年的报道 在载流子浓度7 x 1 0 1 7 c 1 1 f 1 3 的n g a n 上用这种方法可以获得比接触电阻为7 1 0 6 q c i t l 2 的欧姆接触 4 在此基础上 欧 姆接触工艺被不断改进 目前的研究主要集中在吲a l 用 a u t i a i p t a u 和 t i a u n i a u 等多层结构上 5 8 尽管目前在n g a n 上已可获得很好的欧姆接触 但其物理机理仍不十分清楚 剑桥大学的a n b r i g h t 等人在这一方向上作了大量的工作 深化了人们对这一问 题的认识 j g a n 表面的肖特基接触比较容易制作 目前已有很多这方面的报道 所用金 属包括a u p t n i p d r e t r 以及n i t u p t a u 等 依据金属材料的不同 所 得肖特基势垒高度在一个较大范围内变化 1 9 9 8 年 h i s h i k a w a 9 报道的p d g a n 肖特基接触已达到了很高的质量 其势垒高度为1 5 5 e v 随着工艺水平的不断提高 目前人们已在g a n 基材料上实现了m e s f e t 4 第一章绪论 m i s f e t j f e t h e m t 等多种场效应器件 表1 2 对这种f e t 进行了比较 表1 2 各种g a n 器件的比较 器件m e s f e t m i s f e tj f e th e m t m f e t 金属栅 l g a n 金属 绝缘层胸道 p g a n 栅 n g a n 沟 金属栅 a 1 g a n g a n 沟 结构 沟道 a i g a n g a n 道道 栅的沟道上形成肖绝缘介质上形成金属 p g a n 上形成欧姆 a i g a n 势垒层上形成 形成特基栅 栅接触肖特基栅 栅漏电流小 开启电电子迁移率高 电流 优点 结构简单开启电压高 压高大 击穿电压高 电子迁移率需要额外栅电压补偿电子迁移率低 电流材料生长复杂 有电流 缺点 低 电流小压电极化场小 难于形成短栅崩塌 从表中可看出g a nh e m t 是高频大功率应用的首选 1 9 9 3 年 k h a n 等人报 道了第一只a 1 g a n g a nh e m t 1 0 l 该器件以蓝宝石为衬底 其饱和电流密度为 4 0 m a m m 单位栅宽跨导为2 8 m s r i m 在这之后a i g a n g a nh e m t 发展很快 1 9 9 7 年报道的器件饱和电流密度就突破了1 a r a m 1 1 1 f n 超过了1 0 0 g h z 12 1 a i g a n g a nh e m t 在输出功率上也得到大幅提升 这很大程度上得益于s i c 衬底 的采用 由于s i c 的导热性比蓝宝石高 高的功率条件下正常工作而不至于失效 h e m t 器件指标的提升过程 1 21 9 舢t 瞄1 9 2 0 0 02 2 2 0 0 42 e 以其为衬底的h e m t 器件可以在相对较 图1 4 1 5 1 6 分别表示了a i g a n g a n j 圜 y e 丑r y e a r 图1 4 最大饱和电流和跨导指标的提升过程 1 0 1 3 2 1 1图1 5f t 和k 的提升过程 2 0 脚1 1 近两年来 随着a i g a n g a nh e m t 器件制造工艺的不断成熟 功率合成技术 正日益受到关注 2 0 0 4 年 y o k a m o t o 报道了3 2 m m 栅宽的凹栅器件 其在2 g h z 下输出功率高达1 4 9 w 4 3 1 同年晚些时候 这一指标就被他们自己超越 其报道的 4 8 m m 栅宽器件在2 g h z 下输出了2 3 0 w 功率 删 2 0 0 5 年 r t h e r r i e n 等人报道了 在2 1 2 g h z 条件下在2 g h z 下输出3 6 8 w 功率的3 6 m m 栅宽器件 4 5 1 这些成果的取 柏 0 n置oxo gj叮笆正 电子科技大学博士学位论文 得使a 1 g a n g a nh e m t 在微波功率应用方面展示了诱人的前景 f g h z 图1 6 功率密度的提升过程 1 4 出 3 z 4 2 其中横坐标为 测试功率密度的频率条件 纵坐标为功率密度 国内关于舢g a n g a nh e m t 的研究受到各种条件的制约 起步较晚 目前所 报道的器件在性能指标上与国际水平还有差距 但是这几年来该项研究进展很快 2 0 0 2 年 张锦文等人报道了栅长1 5 1 a m a u a i g a n g a nh f e t 器件 具有良好的输 出特性 最大跨导为4 7 m s r n m 4 6 1 2 0 0 3 年 张小玲等人报道了跨导为1 2 0 m s m m 器件 4 2 0 0 4 年 该研究小组发表的器件跨导就达到了2 4 2 4 m s m m 显示了很 好的直流特性 这一指标在国内是比较高的 4 引 目前国内研究的器件在输出功率指标上也不断提升 2 0 0 4 年 邵刚等报道了 2 g h z 下微波输出功率密度为1 7 5 w m m 的a 1 g a n g a nh e m t 器件 4 9 1 2 0 0 5 年 冯震等报道了x 波段输出功率为4 w 的l m m 栅宽a i g a n g a nh e m t 5 0 同年 陈堂胜等报道的器件在x 波段输出功率达到了6 1 w 这是国内公开发表的最高指 标 5 作为一种新兴的器件 a i g a n g a nh e m t 的器件物理研究目前还不成熟 还 有很多问题有待解决 其中既有这种晶体管独有的问题 也有与其它h e m t 所共 有的具有一般性的问题 a 1 g a n g a nh e m t 最为独特的地方是其具有高面密度的二维电子气 2 d e g 这种2 d e g 的成因与普通h e m t 是不同的 2 d e g 的形成与g a n 基材料的强极性 有关 异质结界面极化电荷在其中起关键作用 o a m b a c h e r 等人对a 1 g a n g a n 界面极化电荷提出了较为精确的计算公式 并将其用于估计2 d e g 的面密度 5 2 但是由于极化电荷总是成对产生并互相屏敝 故生成2 d e g 的具体物理图像不清 晰 直到2 0 0 0 年j p i b b e t s o n 等人指出了a 1 g a n 表面态对于2 d e g 的影响 这一 情况才发生了改观 5 2 d e g 存在于a 1 g a n g a n 界面处的三角形势阱中 对2 d e g 子能带结构的研 6 第一章绪论 究影响着a 1 g a n g a nh e m t 器件物理和仿真方法的发展 实际上三角形量子阱在 很多具有二维系统的半导体器件中均扮演了重要角色 对它的研究已持续多年 与理想三角形势阱不同 固体系统中界面三角形势阱中往往堆积有大量电子 其产生的库仑势会显著地改变势阱形状 求解耦合的p o i s s o n 方程和s c h r o e d i n g e r 方程是计算势阱中2 d e g 子能带结构的关键 5 l 5 9 但p o i s s o n s c h r o e d i n g e r p s 方程组是一个二阶微分方程组 其中还涉及到本征值问题 这增加了计算的复杂 性 早期的研究者采用与无自洽势理想三角形量子阱类比的办法估算2 d e g 的子 能带结构 但精确度不高 现在人们一般使用f d m 方法对p s 方程组进行数值求 解 并发展出一系列技巧 通过数值求解a 1 g a n g a n 异质结三角形势阱中2 d e g 的子能带结构 2 0 0 1 年f a b i os a c c o n i 等人发表了a 1 g a n g a nh e m t 的一维仿真方法 该方法计入了势 阱的量子效应 可导出器件的伏安特性 然而 从器件仿真的角度看 现有的针对三角形量子阱的计算方法还有待进 一步发展 要得到a 1 g a n g a nh e m t 器件内部的电势 电场和载流子浓度等重要 参量 一维仿真是不够的 这就必须使用二维仿真手段 但在二维仿真中 p o i s s o n 方程和s c h r o c d i n g e r 方程除了二者要相互耦合外 还要和扩散一漂移方程 产生一 复合方程等若干器件物理方程进行耦合 计算的高度复杂性导致收敛性无法保证 故目前的a i g a n g a nh e m t 二维仿真方案中一般简单地将异质结势阱作为经典势 阱处理 而没有考虑其量子力学效应 大功率的a 1 g a n g a nh e m t 需要工作在大电压条件下 一般采用场板技术来 调制电场峰 从而提高输出功率 目前已报道的高功率a 1 g a n g a nh e m t 大多采 用了场板结构 该技术已成为a 1 g a n g a nh e m t 的标准技术 2 0 0 4 年 y f w u 等报道了采用场板结构的器件 在4 g h z 下输出功率密度达到了创纪录的 3 2 2 w m m 4 3 1 对于场板的设计 一般依靠较多的是经验 关于场板的研究也大多集中在实 验上 场板的主要功能在于调整器件中的电场峰 但是现有的测试手段很难观测 到器件的电场分布 因而场板