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algan/gan异质结肖特基二极管研究进展

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电源学报 2019年第3期17卷 44-52页

作者：康玄武郑英奎王鑫华黄森魏珂吴昊孙跃赵志波刘新宇中国科学院微电子研究所

氮化镓gan(gallium nitride)作为第三代半导体材料的代表之一,具有临界击穿电场强、耐高温和饱和电子漂移速度高等优点,在电力电子领域有广泛的应用前景。gan基器件具有击穿电压高、开关频率高、工作结温高、导通电阻低等优点,可以应用... 详细信息

氮化镓gan(gallium nitride)作为第三代半导体材料的代表之一,具有临界击穿电场强、耐高温和饱和电子漂移速度高等优点,在电力电子领域有广泛的应用前景。gan基器件具有击穿电压高、开关频率高、工作结温高、导通电阻低等优点,可以应用在新型高效、大功率的电力电子系统。总结了algan/gan异质结肖特基二极管SBD(Schottky barrier diode)目前面临的问题以及目前algan/gan异质结SBD结构、工作原理及结构优化的研究进展。重点从algan/gan异质结SBD的肖特基新结构和边缘终端结构等角度,介绍了各种优化SBD性能的方法。最后,对器件的未来发展进行了展望。

关键词：氮化镓(gan) algan/gan异质结肖特基二极管(SBD)

algan/gan异质结HEMT电学特性仿真研究

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现代电子技术 2024年第16期47卷 23-27页

作者：李尧张栩莹王爱玲牛瑞霞王奋强蓝俊张鹏杰刘良朋吴回州兰州交通大学电子与信息工程学院甘肃兰州730070

gan基高电子迁移率晶体管(HEMT)作为宽禁带功率半导体器件的代表,在电子电路的应用方面有巨大的潜力。gan HEMT因其高击穿电压、高电子迁移率等优异性能,适用于各种高频、高功率器件,并被广泛应用于雷达和航空航天等领域。文中利用Silva... 详细信息

gan基高电子迁移率晶体管(HEMT)作为宽禁带功率半导体器件的代表,在电子电路的应用方面有巨大的潜力。gan HEMT因其高击穿电压、高电子迁移率等优异性能,适用于各种高频、高功率器件,并被广泛应用于雷达和航空航天等领域。文中利用Silvaco TCAD软件,定义了algan/gan单异质结和双异质结HEMT结构,并对其转移特性、输出特性、频率特性和热特性进行了仿真研究。结果表明,algan/gan双异质结HEMT比单异质结器件具有更好的性能。这主要得益于双异质结二维电子气具有更好的限域性,并且载流子迁移率高的优势。

关键词： algan/gan异质结 HEMT 二维电子气转移特性输出特性频率特性热特性

algan/gan异质结材料MBE同质外延研究

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AlGaN/GaN异质结材料MBE同质外延研究

作者：付永瑞西安电子科技大学

学位级别：硕士

gan材料因其宽禁带、高击穿场强、高电子饱和速度、耐高温、抗辐照等特性,并且可通过极化效应形成二维电子气(2DEG),基于gan异质结材料的高电子迁移率晶体管(HEMT)被广泛应用于高效电力电子器件和高频微波功率器件等领域。由于自支撑Ga... 详细信息

gan材料因其宽禁带、高击穿场强、高电子饱和速度、耐高温、抗辐照等特性,并且可通过极化效应形成二维电子气(2DEG),基于gan异质结材料的高电子迁移率晶体管(HEMT)被广泛应用于高效电力电子器件和高频微波功率器件等领域。由于自支撑gan衬底价格昂贵且大尺寸衬底缺少,目前商用的gan HEMT器件大多在硅(Si)和碳化硅(Si C)等衬底上异质外延得到。异质外延引起的晶格失配和热膨胀系数失配导致外延材料中存在高密度位错缺陷,会恶化2DEG输运特性,增加器件的电流泄漏,显著降低击穿电压。近五年来,随着自支撑gan衬底制备工艺的发展,低位错密度、大尺寸、半绝缘自支撑gan衬底逐渐走向商业化,因此gan异质结材料同质外延技术受到越来越多的关注。其中,分子束外延技术(MBE)具有生长速率慢、生长温度低、外延材料杂质浓度低、可在线监测的优点,能实现材料厚度的原子级调控,获得更加陡峭突变的异质结界面,在超薄势垒高铝组分异质结构和精细量子阱材料生长方面优势明显,适合氮化物半导体毫米波器件及太赫兹器件的生长制备。因此,本论文重点研究了Al gan/gan异质结材料的MBE同质外延生长机理和材料性能,包括gan材料同质外延、Al gan材料同质外延、MBE二次同质外延界面杂质去除方法、gan同质外延材料n型掺杂、Al gan/gan异质结同质外延等。本论文的主要研究内容和成果如下:1.通过Ga/N比和生长温度的优化,确定了gan材料MBE生长的最优参数窗口,分析了Ga/N比和生长温度对gan材料性能的影响机制。在表面可观察到镓滴的临界态时,可实现最优台阶流形貌和最低位错密度的gan材料。通过调控Si源炉温度,实现了n型gan材料Si掺杂,Si掺杂浓度在10cm～10 cm范围内可控,且与Si源温度呈指数关系。2.通过AlN/gan超晶格结构周期厚度和结构优化,实现了高铝组分Al gan数字合金材料生长,材料表面台阶形貌明显且无裂纹。而连续法生长条件下,富镓生长条件有利于获得表面形貌光滑的Al gan材料,且镓源和氮源固定时Al gan材料铝组分由铝束流控制,但随着铝组分增加,材料表面形貌急剧恶化。3.通过衬底表面处理工艺和AlN隔离层结构,实现了高电子迁移率Al gan/gan异质结同质外延。通过镓原子清洗和等离子体氮化组合工艺使同质外延界面C和O杂质浓度降低至10cm量级,采用1.5 nm的富氮模式生长的AlN隔离层有效隔离了二次外延界面Si杂质引起的寄生漏电。在掺Fe半绝缘gan基板上获得了室温下电子迁移率为1552 cm/Vs和电子面密度为1.1×10 cm的algan/gan异质结材料。

关键词： algan/gan异质结分子束外延同质外延杂质处理

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algan/gan异质结的C-V特性研究

AlGaN/GaN异质结的C-V特性研究

作者：谭桂英湘潭大学

学位级别：硕士

近年来,作为第三代半导体的代表,氮化镓(gan)因广阔的应用前景而备受关注。商业化gan基蓝光发光二极管(LED)和激光器(LD)的出现,吸引了更多科研机构和企业转向gan基半导体器件的研发和生产上。其中,algan/gan异质结基HEMT是新型的微波... 详细信息

近年来,作为第三代半导体的代表,氮化镓(gan)因广阔的应用前景而备受关注。商业化gan基蓝光发光二极管(LED)和激光器(LD)的出现,吸引了更多科研机构和企业转向gan基半导体器件的研发和生产上。其中,algan/gan异质结基HEMT是新型的微波功率器件,与传统的微波功率器件相比,更适应于高温环境,更能满足高频、高电压和大功率的需要,将是下一代无线通信系统功率放大器的核心元件。而高性能的器件是以高质量的材料为基础的。虽然在蓝宝石和碳化硅衬底上成功生长出了高质量的gan基外延层,并且实现了LED等光电子器件的商业化,但是在选取合适的衬底材料上仍然存在着诸多困难。比如,在Si衬底上直接生长gan基外延层会出现裂纹;很难生长厚度超过1.5?m gan基外延层;生长algan/gan HEMT必须要求gan基外延层厚度在2?m-2.5?m之间,但是在硅衬底上很难生长这么厚gan基外延层,而且algan/gan的二维电子气与垒层厚度及Al组份的关系不是很清楚,本论文针对这些问题做了相关研究,主要研究如下: 1、为了解决裂纹问题,在Si(111)衬底上插入AlN缓冲层,探讨了AlN缓冲层生长的温度和厚度对gan外延层的影响。1)研究了低温(800?C) AlN缓冲层生长的厚度对外延层的影响。通过对样品进行HR-XRD、AFM等表征发现,LT-AlN缓冲层的厚度为30nm时,对应晶体质量最高的gan外延层样品。2)研究了高温(060?C)AlN缓冲层的厚度对gan外延层的影响,结果表明最好的gan外延层样品对应HT-AlN缓冲层的厚度为300nm。 2、为实现在2英寸的Si(111)衬底上外延生长出厚度超过1.5?m无裂纹的高质量gan外延层,除了生长AlN缓冲层外,引入三层LT-AlN中间内插层来消除应力,减少位错。 3、为了研究异质界面的2DEG与algan垒层的厚度和Al组分等参数的关系,在蓝宝石上生长algan/gan异质结,为提高2DEG的面密度,在异质结界面处引入很薄的一层AlN阻挡层,以更好地局域化异质界面处的二维电子气(2DEG),减小散射几率。表征发现当algan垒层厚度超过20nm以上,2DEG对Al组分效应更敏感。通过适当调整Al组分和algan垒层厚度,可以得到符合要求的algan/gan基HEMT夹断电压和阈值电压。实验得到的值与理论模拟相一致的结果,为优化algan/gan基HEMT的性能参数提供了一个有效的方法。

关键词：氮化镓缓冲层 algan/gan异质结二维电子气电容-电压特性

高温AlN插入层对algan/gan异质结材料和HEMTs器件电学特性的影响

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物理学报 2009年第7期58卷 4925-4930页

作者：倪金玉郝跃张进成段焕涛张金风西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体材料与器件重点实验室西安710071

研究了在gan缓冲层中插入40 nm厚高温AlN层的gan外延层和algan/gan异质结材料,AlN插入层可以增加gan层的面内压应力并提高algan/gan高电子迁移率晶体管(HEMTs)的电学特性.在精确测量布拉格衍射角的基础上定量计算了压应力的大小.增加的... 详细信息

研究了在gan缓冲层中插入40 nm厚高温AlN层的gan外延层和algan/gan异质结材料,AlN插入层可以增加gan层的面内压应力并提高algan/gan高电子迁移率晶体管(HEMTs)的电学特性.在精确测量布拉格衍射角的基础上定量计算了压应力的大小.增加的压应力一方面通过增强gan层的压电极化电场,提高了algan/gan异质结二维电子气(2DEG)面密度,另一方面使algan势垒层对2DEG面密度产生的两方面影响相互抵消.同时,这种AlN插入层的采用降低了gan与algan层之间的晶格失配,改善了algan/gan异质结界面特性,有利于减弱界面粗糙度散射,提高2DEG迁移率.利用这种插入层结构的algan/gan异质结材料研制了栅长为1μm的HEMTs器件,其最大漏电流和最大跨导比常规HEMTs器件分别提高了42%和20%.

关键词：高温AlN插入层 algan/gan异质结二维电子气应力

algan/gan异质结电荷密度和内建电场强度的调控

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厦门理工学院学报 2023年第5期31卷 12-16页

作者：庄芹芹林伟闫金健陈佳坭厦门理工学院光电与通信工程学院福建厦门361024 福建省光电技术与器件重点实验室福建厦门361024 厦门市先进半导体镀膜技术研发与应用重点实验室福建厦门361024 厦门大学物理科学与技术学院福建厦门361005 福建省半导体材料及应用重点实验室福建厦门361005

为了优化algan/gan异质结场效应晶体管的性能,实现对异质结界面附近电荷密度和内建电场强度的调控,采用第一性原理计算方法,通过改变algan势垒层的Al组分,或掺入少量用于p型掺杂的Mg原子进行模拟计算。结果表明,在一定范围内增大Al的组... 详细信息

为了优化algan/gan异质结场效应晶体管的性能,实现对异质结界面附近电荷密度和内建电场强度的调控,采用第一性原理计算方法,通过改变algan势垒层的Al组分,或掺入少量用于p型掺杂的Mg原子进行模拟计算。结果表明,在一定范围内增大Al的组分能够有效提高algan/gan异质结界面附近的载流子浓度;异质结界面处的内建电场强度随着Al组分的增大而单调增大,当x=0.50、0.75时,计算所得内建电场强度分别约为x=0.25时的2倍、3倍;在使用少量Mg原子进行p型掺杂时,内建电场强度和电荷密度都显著减小。通过改变Al组分和掺入Mg原子来调控异质结界面附近电荷密度与内建电场强度是可行和有效的。

关键词：结场效应晶体管 algan/gan异质结电荷密度内建电场第一性原理

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基于复合势垒的algan/gan异质结材料的制备与性能研究

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人工晶体学报 2023年第5期52卷 746-752页

作者：彭大青李忠辉蔡利康李传皓杨乾坤张东国罗伟科南京电子器件研究所南京210016 微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室南京210016 中国电子科技集团有限公司碳基电子重点实验室南京210016

针对高线性氮化镓微波功率器件研制需求,设计并外延生长了复合势垒的Al_(0.26)Ga_(0.74)N/gan/Al_(0.20)Ga_(0.80)N/gan异质结构材料,通过理论计算和电容-电压(C-V)测试表明复合势垒材料存在两层二维电子气沟道。生长的复合势垒材料二... 详细信息

针对高线性氮化镓微波功率器件研制需求,设计并外延生长了复合势垒的Al_(0.26)Ga_(0.74)N/gan/Al_(0.20)Ga_(0.80)N/gan异质结构材料,通过理论计算和电容-电压(C-V)测试表明复合势垒材料存在两层二维电子气沟道。生长的复合势垒材料二维电子气迁移率达到1510 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),面密度达到9.7×10^(12)cm^(-2)。得益于双沟道效应,基于复合势垒材料研制的器件跨导存在两个峰,使得跨导明显展宽,达到3.0 V,是常规材料的1.5倍。复合势垒结构器件的跨导一阶导数与二阶导数具有更加优异的特性,表明其具有更高的谐波抑制能力,显示复合势垒algan/gan异质结构在高线性应用上的优势。

关键词： algan/gan异质结复合势垒金属有机物气相沉积高线性跨导二维电子气

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极化效应对algan/gan异质结p-i-n光探测器的影响

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物理学报 2012年第5期61卷 452-458页

作者：刘红侠高博卓青青王勇淮西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室西安710071

基于等效薄层电荷近似模拟表征极化电荷的作用,通过自洽求解Poisson-Schrodinger方程以及求解载流子连续性方程,计算并且讨论了p-algan层掺杂浓度和界面极化电荷对algan/gan异质结p-i-n紫外探测器能带结构和电场分布以及光电响应的影响... 详细信息

基于等效薄层电荷近似模拟表征极化电荷的作用,通过自洽求解Poisson-Schrodinger方程以及求解载流子连续性方程,计算并且讨论了p-algan层掺杂浓度和界面极化电荷对algan/gan异质结p-i-n紫外探测器能带结构和电场分布以及光电响应的影响.结果表明,极化效应与p-algan层掺杂浓度相互作用对探测器性能有较大影响.其中,在完全极化条件下,p-algan层掺杂浓度越大,p-algan层的耗尽区越窄,i-gan层越容易被耗尽,器件光电流越小.在一定掺杂浓度条件下,极化效应越强,p-algan层的耗尽区越宽,器件的光电流越大.最后还分析了该结构在不同温度下的探测性能,证明了该结构可以在高温下正常工作.

关键词： algan/gan异质结光探测器 p-i-n结构极化效应

表面电荷密度及介电常数对algan/gan异质结中二维电子气性质的影响

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四川大学学报（自然科学版） 2024年第6期61卷 178-184页

作者：王庆武于白茹郭华忠四川大学物理学院成都610064

通过在Al_(x)Ga_(1-x)N层引入离化电荷面密度,结合自发极化和压电极化引起的极化电荷面密度,利用变分法计算二维电子气面密度随Al组分和Al_(x)Ga_(1-x)N厚度的变化关系.研究了相对介电常数对电子气密度的影响,并与实验数据进行了比较.... 详细信息

通过在Al_(x)Ga_(1-x)N层引入离化电荷面密度,结合自发极化和压电极化引起的极化电荷面密度,利用变分法计算二维电子气面密度随Al组分和Al_(x)Ga_(1-x)N厚度的变化关系.研究了相对介电常数对电子气密度的影响,并与实验数据进行了比较.通过在Al_(x)Ga_(1-x)N的相对介电常量中引入高阶项,使得计算结果更好地拟合了高Al组分的电子气密度.计算得到的离化电荷面电荷密度与极化电荷面电荷密度相当,从而证明离化面电荷密度对二维电子气形成的贡献.

关键词： algan/gan异质结二维电子气离化态变分法