使用AlN/GaN超晶格势垒层生长高Al组分AlGaN/GaN HEMT结构

在蓝宝石衬底上生长了以AlN/GaN超晶格准AlGaN合金作为势垒的HEMT结构材料,并与传统AlGaN合金势垒样品进行了对比.在高Al组分(≥40%)情况下,超晶格势垒样品的表面形貌明显改进,电学性能特别是2DEG面电子浓度也有所改进.对超晶格势垒生长参数进行了初步优化,使得HEMT结构薄层电阻进一步降低,最后获得了251 Ω/□的薄层电阻. 关键词： AlGaN/GaN 结构 AlN/GaN超晶格 二维电子气 高电子迁移率晶体管     

GaN基HEMT器件的缺陷研究综述

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)因具有高输出功率密度、高工作频率、高工作温度等优良特性,在高频大功率等领域具有广泛应用前景。目前,HEMT器件在材料生长和工艺制备方面都取得了巨大的进步。但是,由缺陷产生的陷阱效应一直是限制其发展的重要原因。本文首先论述了HEMT器件中的表面态、界面缺陷和体缺陷所在位置及其产生的原因。然后,阐述了由陷阱效应引起的器件电流崩塌、栅延迟、漏延迟、Kink效应等现象,从器件结构设计和工艺设计角度,总结提出了改善缺陷相关问题的主要措施,其中着重总结了器件盖帽层、表面处理、钝化层和场板结构4个方面的最新研究进展。最后,探索了GaN基HEMT器件在缺陷相关问题上的未来优化方向。     

感光栅极GaN基HEMT器件的制备与栅极优化

铁电材料作为感光功能薄膜的红外器件研究近年来十分活跃,其良好的压电、铁电、热释电、光电及非线性光学特性以及能够与半导体工艺相集成等特点,在微电子和光电子技术领域有着广阔的应用前景。实验将铁电材料锆钛酸铅作为感光层与GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)相结合,成功地制备出了感光栅极GaN基HEMT器件,并在波长为365 nm的光照下进行探测,经大量实验测试后发现器件在该波段的光照下饱和电流达到28 mA,相比无光照时饱和电流提高12 mA。另外,通过合理改变器件结构尺寸,包括器件栅长以及栅漏间距,发现随着栅长的增大,器件的饱和输出电流依次减小,而栅漏间距的变化对阈值电压以及饱和电流的影响并不大。由此可知,改变器件结构参数可以达到提高器件性能的目的并且可以提高探测效率。     

生物分子膜门电极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器研究

设计并制作了结构尺寸为毫米量级的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器,采用数值分析的方法分析了器件传感区域长度与宽度比值及待测物调控二维电子气(2DEG)距离与感测信号之间的关系,给出了结构尺寸为毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器的设计依据,以不同浓度的前列腺特异性抗原(PSA)为待测物,对制作的AlGaN/GaN HEMT生物传感器进行了初步测量,测试结果表明,在50 mV的电压下,毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器的对PSA的探测极限低于0.1 pg/ml.实验表明毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器具有灵敏度高,易于集成等优点,具备良好的应用前景.     

氮化镓基感光栅极高电子迁移率晶体管器件设计与制备

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)作为栅控器件,具有AlGaN/GaN异质结处高浓度的二维电子气(2DEG)及对表面态敏感等特性,在栅位置处与感光功能薄膜的结合是光探测器领域重要的研究方向之一.本文首先提出在GaN基HEMT栅电极上引入光敏材料锆钛酸铅(PZT),将具有光伏效应的铁电薄膜PZT与HEMT栅极结合,提出一种新的"金属/铁电薄膜/金属/半导体(M/F/M/S)"结构;然后在以蓝宝石为衬底的AlGaN/GaN外延片上制备感光栅极HEMT器件.最后,通过PZT的光伏效应来调控沟道中的载流子浓度和通过源漏电流的变化来实现对可见光和紫外光的探测.在365 nm紫外光和普通可见光条件下,对比测试有/无感光栅极的HEMT器件,在较小V_(gs)电压时,可见光下测得前者较后者的饱和漏源电流I_(ds)的增幅不下降,紫外光下前者较后者的I_(ds)增幅大5.2 mA,由此可知,感光栅PZT在可见光及紫外光下可作用于栅极GaN基HEMT器件并可调控沟道电流.     

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.     

增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管高温退火研究

深入研究了两种增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)高温退火前后的直流特性变化.槽栅增强型AlGaN/GaN HEMT在500 ℃ N₂中退火5 min后,阈值电压由0.12 V正向移动到0.57 V,器件Schottky反向栅漏电流减小一个数量级.F注入增强型AlGaN/GaN HEMT在 400 ℃ N₂中退火2 min后,器件阈值电压由0.23 V负向移动到-0.69 V,栅泄漏电流明显增大.槽栅增强型器件退火过程中Schottky有效势垒     

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     

AlGaN/GaN槽栅HEMT模拟与实验研究

分析了栅槽深度对AlGaN/GaN HEMT特性的影响,并对不同栅槽深度的器件特性进行了模拟,得到了器件饱和电流、最大跨导和阈值电压随栅槽深度的变化规律.当槽栅深度增大,器件饱和电流逐渐下降,而最大跨导逐渐增大,阈值电压向X轴正方向移动.研制出不同栅槽深度的蓝宝石衬底AlGaN/GaN HEMT,用实验数据验证了得到的不同栅槽深度器件特性变化规律.从刻蚀损伤和刻蚀引入界面态的角度分析了模拟与实验规律产生差别的原因. 关键词： 高电子迁移率晶体管 AlGaN/GaN 槽栅器件     

60Co γ射线辐射对AlGaN/GaN HEMT器件的影响

采用⁶⁰Co γ射线辐射源对非钝化保护的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件进行了1 Mrad(Si)的总剂量辐射,实验发现辐射累积剂量越大,器件尺寸越小,器件饱和漏电流和跨导下降越明显,同时辐射后器件栅泄漏电流明显增大,而阈值电压变化很小. 对辐射前后器件的沟道串联电阻和阈值电压变化的分析表明,辐射感生表面态负电荷的产生是造成AlGaN/GaN HEMT器件电特性退化的主要原因之一. 关键词： AlGaN/GaN HEMT器件 γ射线辐射 表面态     

High-field-induced electron detrapping in An AlGaN/GaN high electron mobility transistor

A step stress test is carried out to study the reliability characteristics of an AlGaN/GaN high electron mobility transistor(HEMT).An anomalous critical drain-to-gate voltage with a negative temperature coefficient is observed in the stress sequence,beyond which the HEMT device starts to recover from degradation induced by early lower voltage stress.While the performance degradation featuring the drain current slump stems from electron trapping in the surface or bulk states during low-to-medium bias stress,the recovery is attributed to high field induced electron detrapping.The carrier detrapping mechanism could be helpful for lessening the trapping-related performance degradation of a GaN-based HEMT.     

GaN HEMT器件结构的研究进展

Ga N高电子迁移率晶体管(HEMT)具有大的禁带宽度、高电子饱和速度、异质结界面的高二维电子气浓度、高击穿电压以及高的热导率,这一系列特性使它在高频、高功率、高温等领域得到了广泛的认可。本文首先论述了制约氮化镓高电子迁移率晶体管器件性能提高所遇到的问题及解决方法;然后,着重从优化材料结构设计和器件结构设计的角度,阐述了氮化镓高电子迁移率晶体管器件在高频高功率领域的最新研究进展;最后,讨论了器件进一步发展的方向。     

A unified drain current 1/f noise model for GaN-based high electron mobility transistors

In this work, we present a theoretical and experimental study on the drain current 1/f noise in the AIGaN/GaN high electron mobility transistor （HEMT）. Based on both mobility fluctuation and carrier number fluctuation in a two- dimensional electron gas （2DEG） channel of AlGaN/GaN HEMT, a unified drain current 1/f noise model containing a piezoelectric polarization effect and hot carrier effect is built. The drain current 1/f noise induced by the piezoelectric polarization effect is distinguished from that induced by the hot carrier effect through experiments and simulations. The simulation results are in good agreement with the experimental results. Experiments show that after hot carrier injection, the drain current 1/f noise increases four orders of magnitude and the electrical parameter degradation Agm/gm reaches 54.9%. The drain current 1/f noise degradation induced by the piezoelectric effect reaches one order of magnitude; the electrical parameter degradation Agm/gm is 11.8%. This indicates that drain current 1/f noise of the GaN-based HEMT device is sensitive to the hot carrier effect and piezoelectric effect. This study provides a useful reliability characterization tool for the A1GaN/GaN HEMTs.     

Kink effect in current–voltage characteristics of a GaN-based high electron mobility transistor with an AlGaN back barrier

The kink effect in current–voltage(IV)characteristic s seriously deteriorates the performance of a GaN-based HEMT.Based on a series of direct current(DC)IV measurements in a GaN-based HEMT with an AlGaN back barrier,a possible mechanism with electron-trapping and detrapping processes is proposed.Kink-related deep levels are activated by a high drain source voltage(Vds)and located in a GaN channel layer.Both electron trapping and detrapping processes are accomplished with the help of hot electrons from the channel by impact ionization.Moreover,the mechanism is verified by two other DC IV measurements and a model with an expression of the kink current.     

AlGaN/GaN HEMT based hydrogen sensor with platinum nanonetwork gate electrode

AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) based hydrogen sensors incorporating platinum nanonetworks in the gate region were demonstrated. Pt nanonetworks with 2–3 nm diameter were synthesized by a simple and low-cost solution phase method, and applied to the gate electrode of transistor sensor. The HEMT with physically and electrically connected Pt nanonetwork gate showed good pinch-off and modulation of drain current characteristics. Compared to conventional Pt thin film AlGaN/GaN HEMT sensor, the Pt nanonetwork sensor has dramatically improved current response to hydrogen. Relative current change of Pt nanonetwork gated sensor in 500 ppm H₂ balanced with Air ambient was 3.3 × 10⁶% at V_GS of ?3.3 V, while 2.5 × 10²% at V_GS of ?2.9 V for Pt film. This results from large increase in channel conductance induced by huge catalytic surface area of nanostructured Pt networks.     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管温度传感器特性

本文制作了基于无栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构的温度传感器,并对其温度相关的电学特性进行了表征.实验测试了器件从50℃到400℃的变温电流-电压特性,研究了器件灵敏度随着器件沟道长宽比的变化,并研究了在300—500℃高温的空气和氮气中经过1 h恒温加热后器件的电学特性变化.理论与实验研究结果表明,随着器件沟道长宽比的增大,器件的灵敏度会随之上升;在固定电流0.01 A下,器件电压随温度变化的平均灵敏度为44.5 mV/℃.同时,稳定性实验显示器件具有较好的高温保持稳定性.     

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%.