GaN HFET加应力后的虚栅和亚稳态能带

使用双曲函数拟合描绘出从应力偏置转换到测试偏置后，不同时刻的表面电势、电场强度和电场梯度的动态弛豫过程。计算出这一偏置转换引发的亚稳态能带。亚稳态能带的弛豫过程描绘出沟道夹断后的异质结充电过程。亚稳态能带计算证明外沟道中的强场峰、电场梯度峰、能带谷和能带峰都由局域电子气电荷引起，局域电子气的慢输运行为延缓了异质结充电过程，拉长了偏置转换中的亚稳态能带转换弛豫。当负应力栅压向空间电荷区注入电子给陷阱充电时，陷阱电荷叠加在局域电子气电荷上，强化了能带畸变和电流崩塌。由此提出涉及异质结能带转换的新虚栅模型。在新虚栅模型下异质结能带变化引发的电子气状态变化比旧虚栅模型中的电子耗尽作用强得多，据此能够解释从漏控DLTS测得的外沟道陷阱密度比栅控DLTS测得的内沟道陷阱密度大1～2个数量级的实验结果。使用涉及能带转换的新虚栅模型讨论了GaN HFET研究中的电流崩塌、3 mm场效应管及可靠性难题。提出二维异质结构用异质结鳍来研制场效应管的新课题。     

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。     

GaN HFET中局域电子气产生的动态电流

从不同栅电压下异质结能带和电子气状态研究出发,研究了GaN HFET栅压变化时的异质结充放电过程。通过自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程计算出不同偏置电压下内、外沟道的导带底。引入局域电子气势垒来甄别沟道中的漂移电子气和局域电子气的不同输运行为。详细研究了栅、漏偏置变化时的异质结充放电和局域电子气充放电。从这两种新的充放电效应出发,建立起描述沟道动态电流的电压控制模型,成功解释了陷阱俘获电荷模型不能解释的各类动态电流实验。     

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。     

AlGaN/GaN二维电子气的特性研究

应用 Al Ga N/Ga N异质结中的压电极化和自发极化边界条件自洽求解了薛定谔方程和泊松方程 ,求出了异质结能带和二维电子气分布。研究了势垒层组分比、势垒层宽度、沟道层掺杂和栅电压变化对二维电子气特性的影响。着重研究了栅电压对二维电子气特性的控制作用 ,提出了使用薄势垒和重掺杂沟道的新 HFET结构     

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.     

AlGaN／GaN二维电子气的特性研究

应用AlGaN/GaN异质结中的压电极化和自发极化边界条件自洽求解了薛定谔方程和泊松方程,求出异质结能带和二维电子气分布。研究了势垒层组分化、势垒层宽度、沟道层掺杂和栅电压变化对二维电子气特性的影响。着重研究了栅电压对二维电子气维性的控制作用,提出了使用薄势垒和重掺杂沟道的新HFET结构。     

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。     

Ⅲ族氮化物HFET中的电流崩塌和二维电子气

讨论了Ⅲ族氮化物HFET中电流崩塌和沟道内二维电子气特性间的关联,提出了描述产生电流崩塌时电子动态运动的微观模型。栅延迟电流崩塌被归因于栅-漏电极间隙中表面态与其下沟道中的电子交换。异质结极化感应的表面电荷不稳定性和沟道中二维电子气的量子限制特性是决定电流崩塌的两个重要因素。应用这一微观模型解释了实验中观察到的电流崩塌现象。通过适当的异质结构优化设计可望研制出无电流崩塌的Ⅲ族氮化物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中的亚阈值电流和穿通

通过自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程发现栅-漏间隙中的强场峰两侧的异质结能带产生巨大畸变,使部分二维电子气不能通过强场峰而形成局域电子气。从电子气补偿效应出发研究了外沟道夹断前后的沟道电阻变化。研究了从外沟道渗透到内沟道的电场梯度和缓冲层沟道阱,发现了新的电场梯度引起的能带下弯(Electric field gradient induced band bowing,EFGIBB)效应。从漏电压引起的电势下降(Drain-induced barrier lowering,DIBL)和EFGIBB两效应出发建立起新的穿通阱模型,由此解释了实验中观察到的各类阈值电压负移、亚阈值电流和穿通等沟道夹断以后的行为,发现了由强负栅压引起的新穿通现象。最后讨论了新穿通行为对器件性能的影响,探索优化设计器件结构,改善器件性能的新途径。     

GaN HFET沟道中的电子状态转移和非线性研究

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发研究了大栅压摆动下的沟道电子状态,发现高栅压下电子波函数向势垒层的渗透和激发子带向势垒层的转移是导致跨导下降、线性变差的主要原因。分别研究了势垒层和沟道结构对波函数渗透和电子态转移的影响。通过势垒层和沟道结构的综合设计获得了在大栅压摆动下保持高跨导和线性的优化结构。提出了剪裁二维能带结构的新工艺方案。     

AlGaN/GaN势垒层异质结构与二维电子气密度的相互作用

在忽略二维电子气波函数对势垒层渗透的前提下提出了直接求解无电子势垒层泊松方程来计算势垒层能带的新思路,提出了把势垒层以外的极化电荷、杂质电荷及电子电荷作为势垒层边界上的界面电荷来解势垒层泊松方程的新方法。由此计算出的势垒层能带和自洽能带计算结果相吻合。用电子气密度多项式来拟合沟道阱子带能级随电子气密度变化的曲线,推算出新的二维电子气密度的超越方程。对于各种不同异质结构,从超越方程解出的电子气密度和势垒层能带同自洽能带计算结果相吻合,从而创立了一种自洽求解沟道阱泊松方程和薛定谔方程的新方法。研究了二维电子气密度与势垒层异质结构的相互作用,讨论了电子气密度随异质结构的变化,提出了异质结能带剪裁的新思路。     

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。     

平面掺杂异质结场效应管的二维电子气浓度和材料结构尺寸之间的关系

本文对场效应管所用材料的隔离层,δ调制掺杂层,势垒耗尽层等材料结构尺寸,异质结界面的二维电子气浓度,场效应管的夹断电压,沟道电流等以及它们之间的关系进行了计算分析,可作为材料和器件结构设计的依据．     

高跨导AlGaN／GaN光电子异质结构场效应晶体管

报道了在当照下具有高跨导值的１μｍ栅Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／ＧａＮ异质结构场效应晶体管，解释了光照下器件跨导和电流的增加是由于沟道中产生的俘获正电荷和导电子造成的。     

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.     

AlGaN/GaN异质结构中的极化工程

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发,研究了AlGaN/GaN量子阱电子气密度随Al组份比、势垒层厚度和栅压的变化,比较了能带带阶和极化电荷对沟道阱能带和电子气特性的影响,研究了在势垒层和缓冲层中夹入AlN及InGaN薄层的作用,计算了AlGaN/GaN/AlGaN双异质结的能带,最后探讨了势垒层能带的优化设计,提出了剪裁势垒层能带来钝化表面的新方法。     

GaN HFET沟道层中的慢输运电子态和射频电流崩塌(续)

<正>3射频电流崩塌模型目前国际上发表的电流崩塌模型都是耗尽模型,即认为沟道中的电子被表面陷阱或缓冲层陷阱俘获,耗尽了沟道电子气密度,造成漏电流下降。这些耗尽模型较好地解释了实验中观察到的栅延迟、漏延迟等各类瞬态电流现象,但是在解释射频电流崩塌时,既然射频输出功率低于直流伏安特性算出的预期功率,就必须证明外沟道的射频电阻大于直