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极化库仑场散射对凹栅槽AlGaN/GaN异质结场效应晶体管器件特性影响研究

极化库仑场散射对凹栅槽AlGaN/GaN异质结场效应晶体管器件特性影...

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作者：孟丽平山东大学

学位级别：硕士

AlGaN/GaNs异质结场效应晶体管(HFET)具有高饱和电子漂移速度、高跨导、高击穿电压等优良特性。不仅如此,由于GaN材料的自发极化和压电极化效应,在没有掺杂的条件下,AlGaN/GaN异质结界面就存在浓度高达1 X 1013 cm的二维电子气(n)。同... 详细信息

AlGaN/GaNs异质结场效应晶体管(HFET)具有高饱和电子漂移速度、高跨导、高击穿电压等优良特性。不仅如此,由于GaN材料的自发极化和压电极化效应,在没有掺杂的条件下,AlGaN/GaN异质结界面就存在浓度高达1 X 1013 cm的二维电子气(n)。同时也正是由于异质结界面存在高面密度的二维电子气(2DEG),常规AlGaN/GaN HFETs为耗尽型,耗尽型器件的驱动电路复杂,节能性和可靠性较差,严重限制了其应用和发展。因此制备增强型AlGaN/GaN HFETs成为GaN HFET器件研究领域中的热点。凹槽栅技术和MOS结构结合是制备增强型AlGaN/GaN HFETs器件一种有效的方式。由于自发极化和压电极化效应,AlGaN/GaN异质结材料界面存在均匀分布的极化电荷,器件制备的过程中,为形成欧姆接触,对器件进行快速热退火处理,金属原子横向扩散进入AlGaN势垒层,引起势垒层应变。器件工作中需要在栅极施加偏压,栅偏压会引起逆压电效应,也会改变AlGaN势垒层的应变,造成AlGaN势垒层极化电荷分布不均匀,这两种过程都会导致极化库仑场(polarizaiton Coulomb field,PCF)散射。从提出至今,PCF散射已经建立起完善的研究方法和理论体系,且研究表明PCF散射对AlGaN/GaN HFETs器件2DEG迁移率(μ)、栅源通道电阻(R)等参数有至关重要的影响,但PCF散射在凹槽栅AlGaN/GaN HFETs器件中的作用并未被探究。本论文分别以有无栅槽、栅长和源漏间距为唯一变量制备AlGaN/GaN HFETs,对比探究PCF散射对凹槽栅耗尽型AlGaN/GaN HFETs器件2DEG电子迁移率(μ)、栅源通道电阻(R)、非本征跨导(g)的影响。论文还制备了不同尺寸的凹栅槽增强型AlGaN/GaN HFETs,通过对比分析了 PCF散射作用下的2DEG电子迁移率(μ)、栅源通道电阻(R)的作用。论文具体包括以下内容:首先通过对工艺的探索,制备凹槽栅AlGaN/GaN HFETs器件。凹槽栅器件栅槽的制备采用低功率感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术,刻蚀之后在150℃低温条件下,利用原子层淀积(ALD)工艺淀积AlO介质层,并进行快速热退火处理提高介质层和栅槽接触质量。1.极化库仑场散射对凹槽栅耗尽型AlGaN/GaN HFETs器件2DEG电子迁移率的影响利用PCF散射理论模型拟合得到常规AlGaN/GaN HFETs器件和凹栅槽(栅槽深度为9 nm)耗尽型AlGaN/GaN HFETs器件栅下总2DEG电子迁移率和各个散射机制对应的迁移率。通过对比研究发现,对于常规AlGaN/GaN HFETs,当栅长(L)与源漏间距(L)比值小于0.5,PCF散射对2DEG电子迁移率的影响在各种散射机制中占据主导地位。随着栅偏压(V)由负向零增加,栅下AlGaN势垒层受到压应变逐渐减小,栅源、栅漏区域不断减少的正附加极化电荷σ2对于栅下2DEG作用减弱,PCF散射减弱,2DEG电子迁移率随着V由负向零增大而增大。且由于随着V增大,PCF散射作用减弱,导致栅下2DEG迁移率增长速度逐渐降低。对于L/L大于0.5的AlGaN/GaNHFETs,栅源、栅漏区域正附加极化电荷02对栅下载流子的散射作用较弱,PCF散射在各种散射机制中不占有主导地位,栅下载流子迁移率趋势由POP散射主导,随着V增大呈现下降的趋势。对于凹栅槽耗尽型AlGaN/GaN HFETs,ICP刻蚀和介质层的淀积在栅下区域势垒层界面引入了正极化电荷和正界面电荷,对于PCF散射,这相当于在栅源、栅漏区域产生了负附加电荷σ2。V为负时,由于逆压电效应,栅下正极化电荷减少,栅下总的正电荷量(正极化电荷加正界面电荷)与栅源和栅漏AlGaN/GaN异质界面正极化电荷量差值变小,PCF散射相对于零栅偏压时减弱。即随着V由负到零增加,栅源、栅漏区域负附加电荷增多,PCF散射增强,其对应的2DEG电子迁移率减小。且随着V由负向零靠近,栅下总的2DEG受到PCF散射的作用增强。不同尺寸的凹槽栅耗尽型AlGaN/GaN HFETs,栅长越大,PCF散射越弱,其对应的栅下2DEG迁移率越大。对比常规AlGaN/GaN HFETs器件和凹槽栅AlGaN/GaN HFETs器件。L/L小于0.5且V为绝对值较大负栅偏压时,常规AlGaN/GaN HFETs器件中PCF散射作用强,导致常规器件栅下载流子迁移率较低,随着V由负向零增加PCF散射减弱,2DEG电子迁移率增大。而对于凹槽栅结构耗尽型AlGaN/GaN HFETs,V为绝对值较大负偏压时,其PCF散射较弱,导致凹栅槽耗尽型器件栅下2DEG迁移率较高,随着V由负向零增加PCF散射增强,在其作用下,2DEG电子迁移率减小

关键词： AlGaN/GaN异质结场效应晶体管极化库仑场散射载流子迁移率栅源通道电阻非本征跨导

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