微波功率AlGaN/GaN HFET的二维能带和异质结构设计

在综述微波功率AlGaN/GaN HFET技术发展趋势基础上,提出了二维异质结能带优化设计的新课题.从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发研究了利用异质界面上的极化电荷来剪裁异质结能带.用极化电荷设计近矩形前势垒能增大高能热电子的隧穿势垒宽度,抑制电流崩塌.背势垒中的极化电荷强化了沟道阱的量子限制,减弱了沟道中的强场峰,能提高击穿电压和抑制电流崩塌.薄势垒层中的极化电荷强化了沟道阱的结构,降低势垒高度后能产生高密度的电子气.优化设计二维异质结构能抑制沟道中的强场峰和电流崩塌,提高击穿电压和大漏压下的输出功率.     

GaN HFET沟道层中的慢输运电子态和射频电流崩塌

从电极偏置环境、二维异质结能带及沟道电子状态的研究出发,发现了沟道中存在具有不同输运特性的高能正常电子和低能慢电子,建立起新的慢电子电流崩塌模型。在器件射频工作中通过正常输运电子到慢电子的转换过程解释了射频电流崩塌行为。沟道中的慢电子是产生射频电流崩塌的真正缘由。运用这一慢电子电流崩塌模型解释了目前用耗尽模型不能解释的大量实验结果。最后提出了通过异质结构优化设计来消除慢电子,解决电流崩塌难题的新途径。     

GaN HFET沟道中的强场峰和背势垒

研究了背势垒、场板电极、电流崩塌、短沟道效应及源-漏穿通等GaN HFET的热点课题及其关联。高漏压下沟道阱中的强场峰和背势垒的相互作用是决定上述热点课题的关键。介绍、分析了目前国外用Silvaco有限元经典模拟软件计算的结果,发现这些理论计算的能带都向缓冲层末端倾斜,电子从沟道阱转移到缓冲层末端,不能用来研究上述课题和进行器件优化设计。提出了新的量子模拟理念,用沟道阱的量子限制解开了上述难题。量子模拟结果解释了上述课题的实验结果及其关联,有望从沟道强场峰和背势垒的相互作用研究中优化设计出高漏压工作的大功率、高效GaN HFET。     

GaN HFET偏置转换中的亚稳态能带

从场效应管瞬态电流谱中慢峰展示的异质结慢充电过程出发,提出了研究GaN HFET偏置转换中出现的亚稳态新概念。利用亚稳态随时间的缓变特征,建立了自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程的能带计算方案。选用能带峰和填充能级来描绘亚稳态,编制成计算不同应力偏置和测试偏置下亚稳态能带的计算软件。运用新编软件计算了不同能带峰和填充能级下的亚稳态能带。详细描述了偏置转换中产生的能带谷充电过程及外沟道堵塞,由此建立起应力偏置与测试偏置下动态电流间的关联。从场效应管射频工作中栅、漏电压的变化条件出发提出新的电流崩塌动态模型。运用应力偏置和测试偏置下的定态能带和亚稳态能带解释了瞬态电流谱随应力偏置和测试偏置的变化行为。最后讨论亚稳态能带在GaN HFET研究中的重要意义。     

GaN HFET中的局域电子气和瞬态电流谱

比较了GaN体材料和GaN HFET中陷阱的不同行为,发现后一种陷阱不能简单地用陷阱中心俘获带内电子模型来解释,由此建立起描述沟道电流的新局域电子气模型。运用这一局域电子气新概念解释了实验中观察到的各类瞬态电流谱,说明目前瞬态电流研究把高密度局域电子气误认为"陷阱"而引入的各种误解。提出了通过能带剪裁来解决GaN HFET电流崩塌和可靠性难题的新途径。     

GaN HFET偏置转换中的亚稳态能带(续)

从场效应管瞬态电流谱中慢峰展示的异质结慢充电过程出发,提出了研究GaN HFET偏置转换中出现的亚稳态新概念。利用亚稳态随时间的缓变特征,建立了自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程的能带计算方案。选用能带峰和填充能级来描绘亚稳态,编制成计算不同应力偏置和测试偏置下亚稳态能带的计算软件。运用新编软件计算了不同能带峰和填充能级下的亚稳态能带。详细描述了偏置转换中产生的能带谷充电过程及外沟道堵塞,由此建立起应力偏置与测试偏置下动态电流间的关联。从场效应管射频工作中栅、漏电压的变化条件出发提出新的电流崩塌动态模型。运用应力偏置和测试偏置下的定态能带和亚稳态能带解释了瞬态电流谱随应力偏置和测试偏置的变化行为。最后讨论亚稳态能带在GaN HFET研究中的重要意义。     

GaN HFET中的噪声

从GaN异质结沟道阱中电子状态出发研究了HFET中的噪声产生机理.用沟道阱中子带间散射解释了迁移率起伏引起的1/f噪声.从电子状态转移及不同状态间的跃迁出发解释了各类噪声实验结果.建立了沟道阱能带与HFET噪声性能间的关联.运用正、负极化电荷剪裁了肖特基势垒、欧姆接触及内、外沟道的势垒和主阱及副阱阱宽和势垒高度,降低了栅流、欧姆接触和外沟道串联电阻,强化了沟道阱的量子限制,减弱了子带间散射.     

GaN HFET中的陷阱和局域电子气

研究了GaN HFET中陷阱的各种行为,发现许多特性不能简单地用陷阱中心俘获带内电子模型来解释。从内、外沟道陷阱密度的巨大差异推出外沟道高密度陷阱不是由陷阱中心俘获带内电子产生的。通过自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程发现栅-漏间隙中的强场峰在其两侧产生巨大能带畸变,使部分二维电子气不能通过强场峰而形成局域电子气。运用这一局域电子气新概念解释了目前实验中观察到的各类陷阱实验,说明目前陷阱研究把高密度局域电子气误认为"陷阱"而引入的各种误解。提出了从局域电子气研究来解决GaN HFET电流崩塌和可靠性难题的新途径。     

凹栅AlGaN/GaN HFET

研究了总栅宽为100μm栅凹槽结构的AlGaN/GaN HFET,采用相同的外延材料,凹槽栅结构器件与平面栅结构器件比较其饱和电流变化小,跨导由260.3mS/mm增加到314.8mS/mm,n由2.3减小到1.7,栅极漏电减小一个数量级.在频率为8GHz时,负载牵引系统测试显示,当工作电压增加到40V,输出功率密度达到11.74W/mm.     

凹栅AlGaN/GaN HFET

研究了总栅宽为100μm栅凹槽结构的AlGaN/GaN HFET,采用相同的外延材料,凹槽栅结构器件与平面栅结构器件比较其饱和电流变化小,跨导由260.3mS/mm增加到314.8mS/mm,n由2.3减小到1.7,栅极漏电减小一个数量级.在频率为8GHz时,负载牵引系统测试显示,当工作电压增加到40V,输出功率密度达到11.74W/mm.     

AlGaN/GaN HFET中的陷阱

提出了二维表面态和表面缺陷层构成的AlGaN/GaN HFET中的陷阱模型。自洽求解薛定谔方程和泊松方程得到异质结能带和沟道阱基态、激发态及二维表面态的波函数。发现表面高密度缺陷减薄了势垒层厚度,显著增强了热电子隧穿过程。从缺陷态发射电子和热电子隧穿构成的新陷阱模型出发,解释了HFET的瞬态电流、肖特基势垒的伏安特性和产生-复合噪声。最后讨论了改进材料生长和器件工艺来抑制陷阱效应,改善器件性能的途径。     

GaN HFET沟道热电子隧穿电流崩塌模型

研究了GaN HFET中沟道热电子隧穿到表面态及表面态电子跃迁到表面导带两种跃迁过程及其激活能.从沟道热电子隧穿过程出发,提出了新的电流崩塌微观模型.用该微观模型解释了光离化谱、DLTS、瞬态电流及电流崩塌等各类实验现象.研究了各种异质结构的不同电流崩塌特性,在此基础上讨论了无电流崩塌器件的优化设计.     

AlGaN/GaN HFET的优化设计

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发研究了不同掺杂方式下异质结能带和二维电子气的行为。发现掺杂能剪裁异质结能带的弯曲度、控制电子气的二维特性和浓度。在此基础上研究了不同掺杂方式的掺杂效率。通过掺杂和势垒结构的优化设计,得出了用δ掺杂加薄AlN隔离层的结构,既提高了电子气浓度,又保持电子气的强二维特性。从电子气浓度和栅对电子气的控制力度出发,提出了HFET势垒优化设计中的电子气浓度与势垒层厚度乘积规则。依据二维表面态理论,研究了表面态随帽层掺杂结构的变化。从前述乘积规则和表面态变化出发进行了内、外沟道异质结构的优化设计。优化结构既提高了电子气浓度和跨导,降低了欧姆接触电阻,又抑制了电流崩塌。     

高跨导AlGaN/GaN HFET器件研究

报道了蓝宝石衬底上AlGaN/GaNHFET的制备以及室温下器件的性能。器件栅长为0.8μm,源漏间距为3μm,得到器件的最大漏电流密度为0.7A/mm,最大跨导为242.4mS/mm,截止频率(fT)和最高振荡频率(fmax)分别为45GHz和100GHz。同时器件的脉冲测试结果显示,SiN钝化对大栅宽器件的电流崩塌效应不能彻底消除。     

GaN HFET中的耦合沟道阱

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发研究了GaN异质结构中的耦合沟道阱,求出了耦合沟道阱中电子状态随异质结构的变化,发现通过适当的能带剪裁可以使基态子带和激发态子带分别落在主阱和副阱中,从而显著降低了子带间的散射。使用这种新颖的耦合沟道阱完成了低噪声HFET的优化设计。     

AlInN三明治势垒GaN HFET

介绍了国际上AlInN势垒HFET的最新发展.从器件性能分析中发现这种新势垒显著提高了沟道电子气密度,增大了强场漂移速度,消除应变提高了器件可靠性和热稳定性,能在高温下有效工作,使GaN HFET研究走上新的台阶.但是薄势垒引起的大栅流和电流崩塌是阻碍器件性能提高和实际应用的主要瓶颈.利用AlInN/AlGaN异质界面...     

三种纵向结构的AlGaN/GaN HFET性能比较

对AlGaN/GaN HFET纵向的常规结构、倒置结构和双异质结进行了研究，结果表明：常规结构的材料生长简单、容易控制，倒置结构的直流性能低于常规结构，而双异质结虽然在材料生长方面较为复杂，但它可以获得较常规结构更为优良的直流特性.     

AlGaN/GaN HFET电流崩塌效应研究

电流崩塌效应是限制AlGaN/GaN HFET高输出功率特性的一个重要因素,文中从器件研制的角度研究了AlGaN/GaN HFET的电流崩塌效应.研究结果表明,采用传统的化合物半导体器件细栅工艺制作的器件,栅边缘易发生钻蚀效应,SiN层出现钻蚀区域,器件电流崩塌明显;采用ICP刻蚀SiN后,AlGaN表面产生损伤,电流崩塌效应进一步增强;采用电子束直写方式和SiN钝化,电子未对AlGaN层产生损伤,电流崩塌参量小于20%;采用场板结构,SiN层增加了表面态俘获电子的释放通道.电流崩塌效应得到进一步抑制,减小到小于10%.