阶梯AlGaN外延新型Al_(0.25)Ga_(0.75)N/GaNHEMTs击穿特性分析

为了优化AlGaN/GaN HEMTs器件表面电场,提高击穿电压,本文首次提出了一种新型阶梯AlGaN/GaN HEMTs结构.新结构利用AlGaN/GaN异质结形成的2DEG浓度随外延AlGaN层厚度降低而减小的规律,通过减薄靠近栅边缘外延的AlGaN层,使沟道2DEG浓度分区,形成栅边缘低浓度2DEG区,低的2DEG使阶梯AlGaN交界出现新的电场峰,新电场峰的出现有效降低了栅边缘的高峰电场,优化了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布,使器件击穿电压从传统结构的446 V,提高到新结构的640 V.为了获得与实际测试结果一致的击穿曲线,本文在GaN缓冲层中设定了一定浓度的受主型缺陷,通过仿真分析验证了国际上外延GaN缓冲层时掺入受主型离子的原因,并通过仿真分析获得了与实际测试结果一致的击穿曲线.     

基于凹槽结构抑制AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应

基于双脉冲技术,研究了GaN缓冲层陷阱对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应的影响.结果表明,栅边缘漏侧的电场峰值使得沟道电子跃迁至缓冲层,并被缓冲层中的陷阱俘获是造成电流崩塌的主要原因之一.提出了势垒层局部凹槽结构,降低了栅边缘漏侧的电场峰值,使电场分布更加均匀,改善了器件的电流崩塌效应.与传统AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构相比,新器件结构对电流崩塌效应的抑制作用至少提升了22.30%.     

具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析

为了优化传统Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面电场,提高击穿电压,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层的新型Al GaN/GaN HEMTs器件结构.新型结构通过在Al GaN势垒层顶部、栅电极到漏电极的漂移区之间引入部分本征GaN帽层,由于本征GaN帽层和Al GaN势垒层界面处的极化效应,降低了沟道二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使得沟道2DEG浓度分区,由均匀分布变为阶梯分布.通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,且有效降低了栅边缘的高峰电场,Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀.利用ISE-TCAD软件仿真分析得出:通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,Al GaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,使得新型Al GaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流减小了9.2%,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率提高了12%.     

场板抑制GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌的机理研究

通过实验和数值器件仿真研究了钝化GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)、栅场板GaN HEMTs和栅源双层场板GaN HEMTs电流崩塌现象的物理机理,建立了电流崩塌强度与帽层中载流子浓度、陷阱电离率和电场的内在联系.研究结果表明,场板可以有效调制帽层中横向和纵向电场的强度分布,并可有效调制纵向电场的方向,减弱栅极附近电场强度,增加场板下方电场强度,这会减弱栅极附近自由电子的横向运动,增强场板下方自由电子的纵向运动,进而可以有效调制帽层中自由电子浓度的分布,提高陷阱的电离率,减小器件的电流崩塌. 关键词： 电流崩塌 钝化器件 场板器件 陷阱电离率     

AlGaN表面坑状缺陷及GaN缓冲层位错缺陷对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应的影响

利用金属有机气相外延(MOVPE)技术生长了具有不同AlGaN表面坑状缺陷和GaN缓冲层位错缺陷密度的AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)样品,并对比研究了两种缺陷对器件栅、漏延迟电流崩塌效应的影响.栅延迟测试表明,AlGaN表面坑状缺陷会引起栅延迟电流崩塌效应和源漏电阻的增加,而且表面坑状缺陷越多,栅延迟电流崩塌程度和源漏电阻的增加越明显.漏延迟测试显示,AlGaN表面坑状缺陷对漏延迟电流崩塌影响不大,而GaN缓冲层位错缺陷主要影响漏延迟电流崩塌.研究结果表明,AlGaN表面坑状缺陷和Ga 关键词： AlGaN/GaN HEMT 电流崩塌 坑状缺陷 位错缺陷     

AlGaN/GaN HEMT器件直流扫描电流崩塌机理及其物理模型

通过对AlGaN/GaN HEMT器件直流扫描情况下电流崩塌现象和机理的分析，建立了一个AlGaN/GaN HEMT器件的直流扫描电流崩塌模型.该模型从AlGaN/GaN器件工作机理出发，综合考虑了器件结构、半导体表面与界面，以及量子阱特殊结构对电流崩塌的影响.实验反复证明了该模型与实验结果有良好的一致性. 关键词： AlGaN/GaN HEMT 直流扫描 电流崩塌 模型     

具有p-GaN岛状埋层耐压结构的横向AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)相对较低的击穿电压严重限制了其大功率应用.为了进一步改善器件的击穿特性,通过在n-GaN外延缓冲层中引入六个等间距p-GaN岛掩埋缓冲层(PIBL)构成p-n结,提出一种基于p-GaN埋层结构的新型高耐压AlGaN/GaN HEMT器件结构.Sentaurus TCAD仿真结果表明,在关态高漏极电压状态下,p-GaN埋层引入的多个反向p-n结不仅能够有效调制PIBL AlGaN/GaN HEMT的表面电场和体电场分布,而且对于缓冲层泄漏电流有一定的抑制作用,这保证了栅漏间距为10μm的PIBL HEMT能够达到超过1700 V的高击穿电压(BV),是常规结构AlGaN/GaN HEMT击穿电压(580 V)的3倍.同时,PIBL结构AlGaN/GaN HEMT的特征导通电阻仅为1.47 m?·cm~2,因此获得了高达1966 MW·cm~(-2)的品质因数(FOM=BV~2/R_(on,sp)).相比于常规的AlGaN/GaN HEMT,基于新型p-GaN埋岛结构的HEMT器件在保持较低特征导通电阻的同时具有更高的击穿电压,这使得该结构在高功率电力电子器件领域具有很好的应用前景.     

Al2O3绝缘层的AlGaN/GaN MOSHEMT器件研究

在研制AlGaN/GaN HEMT器件的基础上,采用ALD法制备了Al2O3 AlGaN/GaN MOSHEMT器件.通过X射线光电子能谱测试表明在AlGaN/GaN异质结材料上成功淀积了Al2O3薄膜.根据对HEMT和MOSHEMT器件肖特基电容、器件输出以及转移特性的测试进行分析发现:所制备的Al2O3,薄膜与AlGaN外延层间界面态密度较小,因而MOSHEMT器件呈现出较好的栅控性能;其次,该器件的栅压可以加至 3 V,此时的最大饱和电流达到800 mA/mm,远远高于肖特基栅HEMT器件的最大输出电流;而且栅漏反偏状态下的泄漏电流却减小了两个数量级,提高了器件的击穿电压,通过进一步分析认为泄漏电流主要来源于Fowler-Nordheim隧穿.     

AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管漏电流退化机理研究

本文首先制备了与AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 (HEMT) 结构与特性等效的AlGaN/GaN异质结肖特基二极管, 采用步进应力测试比较了不同栅压下器件漏电流的变化情况, 然后基于电流-电压和电容-电压测试验证了退化前后漏电流的传输机理, 并使用失效分析技术光发射显微镜 (EMMI) 观测器件表面的光发射, 研究了漏电流的时间依赖退化机理. 实验结果表明: 在栅压高于某临界值后, 器件漏电流随时间开始增加, 同时伴有较大的噪声. 将极化电场引入电流与电场的依赖关系后, 器件退化前后的 log(I_FT/E)与√E 都遵循良好的线性关系, 表明漏电流均由电子Frenkel-Poole (FP) 发射主导. 退化后 log(I_FT/E)与√E 曲线斜率的减小, 以及利用EMMI在栅边缘直接观察到了与缺陷存在对应关系的“热点”, 证明了漏电流退化的机理是: 高电场在AlGaN层中诱发了新的缺陷, 而缺陷密度的增加导致了FP发射电流I_FT的增加. 关键词： AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管 漏电流 退化机理     

基于脉冲方法的超短栅长GaN基高电子迁移率晶体管陷阱效应机理

陷阱效应导致的电流崩塌是制约GaN基微波功率电子器件性能提高的一个重要因素,研究深能级陷阱行为对材料生长和器件开发具有非常重要的意义.随着器件频率的提升,器件尺寸不断缩小,对小尺寸器件中深能级陷阱的表征变得越发困难.本文制备了超短栅长（L_g=80 nm）的AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（MOSHEMT）,并基于脉冲I-V测试和二维数值瞬态仿真对器件的动态特性进行了深入研究,分析了深能级陷阱对AlGaN/GaN MOSHEMT器件动态特性的影响以及相关陷阱效应的内在物理机制.结果表明,AlGaN/GaN MOSHEMT器件的电流崩塌随着栅极静态偏置电压的增加呈非单调变化趋势,这是由栅漏电注入和热电子注入两种陷阱机制共同作用的结果.根据研究结果推断,可通过改善栅介质的质量以减小栅漏电或提高外延材料质量以减少缺陷密度等措施达到抑制陷阱效应的目的,从而进一步抑制电流崩塌.     

Al0.6Ga0.4N/GaN/Al0.3Ga0.7N/Al0.6Ga0.4N量子阱中的Rashba自旋劈裂

正如人们所知, 可以通过电场或者设计非对称的半导体异质结构来调控体系的结构反演不对称性(SIA)和Rashba自旋劈裂. 本文研究了Al_0.6Ga_0.4N/GaN/Al_0.3Ga_0.7N/Al_0.6Ga_0.4N量子阱中第一子带的Rashba 系数和Rashba自旋劈裂随Al_0.3Ga_0.7N插入层(右阱)的厚度w_s以及外加电场的变化关系, 其中GaN层(左阱)的厚度为40-w_s Å. 发现随着w_s的增加, 第一子带的Rashba系数和Rashba自旋劈裂首先增加, 然后在w_s>20 Å 时它们迅速减小, 但是w_s>30 Å时Rashba自旋劈裂减小得更快, 因为此时k_f也迅速减小. 阱层对Rashba系数的贡献最大, 界面的贡献次之且随w_s变化不是太明显, 垒层的贡献相对比较小. 然后, 我们假w_s=20 Å, 发现外加电场可以很大程度上调制该体系的Rashba系数和Rashba自旋劈裂, 当外加电场的方向同极化电场方向相同(相反)时, 它们随着外加电场的增加而增加(减小). 当外加电场从-1.5×10⁸ V·m^-1到1.5×10⁸ V· m^-1变化时, Rashba系数随着外加电场的改变而近似线性变化, Rashba自旋劈裂先增加得很快, 然后近似线性增加, 最后缓慢增加. 研究结果表明可以通过改变GaN层和Al_0.3Ga_0.7N层的相对厚度以及外加电场来调节Al_0.6Ga_0.4N/GaN/Al_0.3Ga_0.7N/Al_0.6Ga_0.4N量子阱中的Rashba 系数和Rashba自旋劈裂, 这对于设计自旋电子学器件有些启示.     

基于GaN同质衬底的高迁移率AlGaN/GaNHEMT材料

研究了表面预处理对GaN同质外延的影响,获得了高电子迁移率AlGaN/GaN异质结材料.通过NH_3/H_2混合气体与H_2交替通入反应室的方法对GaN模板和GaN半绝缘衬底进行高温预处理.研究结果表明,NH_3/H_2能够抑制GaN的分解,避免粗糙表面,但不利于去除表面的杂质,黄光带峰相对强度较高;H_2促进GaN分解,随时间延长GaN分解加剧,导致模板表面粗糙不平,AlGaN/GaN HEMT材料二维电子气迁移率降低.采用NH_3/H_2混合气体与H_2交替气氛模式处理模板或衬底表面,能够清洁表面,去除表面杂质,获得平滑的生长表面和外延材料表面,有利于提高AlGaN/GaN HEMT材料电学性能.在GaN衬底上外延AlGaN/GaN HEMT材料,2DEG迁移率达到2113 cm~2/V·s,电学性能良好.     

Influence of a drain field plate on the forward blocking characteristics of an AlGaN/GaN high electron mobility transistor

In this paper,the influence of a drain field plate(FP)on the forward blocking characteristics of an AlGaN/GaN high electron mobility transistor(HEMT)is investigated.The HEMT with only a gate FP is optimized,and breakdown voltage VBRis saturated at 1085 V for gate–drain spacing LGD≥8μm.On the basis of the HEMT with a gate FP,a drain FP is added with LGD=10μm.For the length of the drain FP LDF≤2μm,VBRis almost kept at 1085 V,showing no degradation.When LDFexceeds 2μm,VBRdecreases obviously as LDFincreases.Moreover,the larger the LDF,the larger the decrease of VBR.It is concluded that the distance between the gate edge and the drain FP edge should be larger than a certain value to prevent the drain FP from affecting the forward blocking voltage and the value should be equal to the LGDat which VBR begins to saturate in the first structure.The electric field and potential distribution are simulated and analyzed to account for the decrease of VBR.     

AlN插入层对AlxGa1-xN/GaN界面电子散射的影响

本文研究AlN作为Al_xGa_1-xN/GaN插入层引起的电子输运性质的变化, 考虑了Al_xGa_1-xN和AlN势垒层的自发极化、压电极化对Al_xGa_1-xN/AlN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)中极化电荷面密度、二维电子气(2DEG) 浓度的影响, 分析了AlN厚度与界面粗糙度散射和合金无序散射的关系; 结果表明, 2DEG 浓度、界面粗糙度散射和合金无序散射依赖于AlN层厚度, 插入一层1–3 nm薄的AlN层, 可以明显提高电子迁移率.     

Output light power of InGaN-based violet laser diodes improved by using a u-InGaN/GaN/AlGaN multiple upper waveguide

The upper waveguide(UWG) has direct influences on the optical and electrical characteristics of the violet laser diode(LD) by changing the optical field distribution or barrier of the electron blocking layer(EBL). In this study, a series of In GaN-based violet LDs with different UWGs are investigated systematically with LASTIP software. It is found that the output light power(OLP) under an injecting current of 120 mA or the threshold current(Ith) is deteriorated when the UWG is u-In_(0.02)Ga_(0.98)N/GaN or u-In_(0.02)Ga_(0.98)N/Al_xGa_(1-x)N(0 ≤ x ≤ 0.1), which should be attributed to small optical confinement factor(OCF) or severe electron leakage. Therefore, a new violet LD structure with u-In_(0.02)Ga_(0.98)N/GaN/Al_(0.05)Ga_(0.95)N multiple layer UWG is proposed to reduce the optical loss and increase the barrier of EBL. Finally,the output light power under an injecting current of 120 mA is improved to 176.4 mW.     

Al组分对MOCVD制备的AlxGa1-xN/AlN/GaN HEMT电学和结构性质的影响

采用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）方法制备了不同Al组分（x=0.19,0.22,0.25,0.32）的Al_xGa_1-xN/AlN/GaN 结构的高电子迁移率晶体管（HEMT）材料。研究了Al_xGa_1-xN势垒层中Al组分对HEMT材料电学性质和结构性质的影响。研究结果表明,在一定的Al组分范围内,二维电子气（2DEG）浓度和迁移率随着Al组分的升高而增大。然而,过高的Al组分导致HEMT材料表面粗糙度增大,2DEG迁移率降低,该实验现象在另一方面得到了原子力显微镜测试结果的验证。在最佳Al组分（25%）范围内,获得的 HEMT材料的2DEG浓度和室温迁移率分别达到1.2×10¹³ cm^-2和1 680 cm²/（V·s）,方块电阻低至310 Ω/□。     

基于原位等离子体氮化及低压化学气相沉积-Si_3N_4栅介质的高性能AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的研究

通过对低压化学气相沉积(LPCVD)系统进行改造,实现在沉积Si_3N_4薄膜前的原位等离子体氮化处理,氮等离子体可以有效地降低器件界面处的氧含量和悬挂键,从而获得了较低的LPCVD-Si_3N_4/GaN界面态,通过这种技术制作的MIS-HEMTs器件,在扫描栅压范围V_(G-sweep)=(-30 V,+24 V)时,阈值回滞为186 mV,据我们所知为目前高扫描栅压V_(G+)(20 V)下的最好结果.动态测试表明,在400 V关态应力下,器件的导通电阻仅仅上升1.36倍(关态到开态的时间间隔为100μs).     

Improvement of breakdown characteristics of an A1GaN/GaN HEMT with a U-type gate foot for millimeter-wave power application

<正>In this study,the physics-based device simulation tool Silvaco ATLAS is used to characterize the electrical properties of an AlGaN/GaN high electron mobility transistor(HEMT) with a U-type gate foot.The U-gate AlGaN/GaN HEMT mainly features a gradually changed sidewall angle,which effectively mitigates the electric field in the channel, thus obtaining enhanced off-state breakdown characteristics.At the same time,only a small additional gate capacitance and decreased gate resistance ensure excellent RF characteristics for the U-gate device.U-gate AlGaN/GaN HEMTs are feasible through adjusting the etching conditions of an inductively coupled plasma system,without introducing any extra process steps.The simulation results are confirmed by experimental measurements.These features indicate that U-gate AlGaN/GaN HEMTs might be promising candidates for use in miltimeter-wave power applications.