极化库仑场散射对凹栅槽AlGaN/GaN异质结场效应晶体管器件特性影响研究

摘要

本论文分别以有无栅槽、栅长和源漏间距为唯一变量制备AlGaN/GaN HFETs，对比探究PCF散射对凹槽栅耗尽型AlGaN/GaNHFETs器件2DEG电子迁移率(μn)、栅源通道电阻(RSch)、非本征跨导(gm)的影响。论文还制备了不同尺寸的凹栅槽增强型AlGaN/GaN HFETs，通过对比分析了PCF散射作用下的2DEG电子迁移率(μn)、栅源通道电阻（RSch）的作用。论文具体包括以下内容:
　　首先通过对工艺的探索，制备凹槽栅AlGaN/GaN HFETs器件。凹槽栅器件栅槽的制备采用低功率感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术，刻蚀之后在150℃低温条件下，利用原子层淀积(ALD)工艺淀积Al2O3介质层，并进行快速热退火处理提高介质层和栅槽接触质量。
　　1.极化库仑场散射对凹槽栅耗尽型AlGaN/GaN HFETs器件2DEG电子迁移率的影响
　　利用PCF散射理论模型拟合得到常规AlGaN/GaN HFETs器件和凹栅槽(栅槽深度为9nm)耗尽型AlGaN/GaN HFETs器件栅下总2DEG电子迁移率和各个散射机制对应的迁移率。通过对比研究发现，对于常规AlGaN/GaN HFETs，当栅长(LG)与源漏间距(LSD)比值小于0.5，PCF散射对2DEG电子迁移率的影响在各种散射机制中占据主导地位。随着栅偏压(VGS)由负向零增加，栅下AlGaN势垒层受到压应变逐渐减小，栅源、栅漏区域不断减少的正附加极化电荷σ2对于栅下2DEG作用减弱，PCF散射减弱，2DEG电子迁移率随着VGS由负向零增大而增大。且由于随着VGS增大，PCF散射作用减弱，导致栅下2DEG迁移率增长速度逐渐降低。对于LG/LSD大于0.5的AlGaN/GaNHFETs，栅源、栅漏区域正附加极化电荷σ2对栅下载流子的散射作用较弱，PCF散射在各种散射机制中不占有主导地位，栅下载流子迁移率趋势由POP散射主导，随着VGS增大呈现下降的趋势。
　　对于凹栅槽耗尽型AlGaN/GaN HFETs，ICP刻蚀和介质层的淀积在栅下区域势垒层界面引入了正极化电荷和正界面电荷，对于PCF散射，这相当于在栅源、栅漏区域产生了负附加电荷σ2。VGS为负时，由于逆压电效应，栅下正极化电荷减少，栅下总的正电荷量（正极化电荷加正界面电荷）与栅源和栅漏AlGaN/GaN异质界面正极化电荷量差值变小，PCF散射相对于零栅偏压时减弱。即随着VGS由负到零增加，栅源、栅漏区域负附加电荷增多，PCF散射增强，其对应的2DEG电子迁移率减小。且随着VGS由负向零靠近，栅下总的2DEG受到PCF散射的作用增强。不同尺寸的凹槽栅耗尽型AlGaN/GaN HFETs，栅长越大，PCF散射越弱，其对应的栅下2DEG迁移率越大。
　　对比常规AlGaN/GaN HFETs器件和凹槽栅AlGaN/GaN HFETs器件。LG/LSD小于0.5且VGS为绝对值较大负栅偏压时，常规AlGaN/GaN HFETs器件中PCF散射作用强，导致常规器件栅下载流子迁移率较低，随着VGS由负向零增加PCF散射减弱，2DEG电子迁移率增大。而对于凹槽栅结构耗尽型AlGaN/GaN HFETs，VGS为绝对值较大负偏压时，其PCF散射较弱，导致凹栅槽耗尽型器件栅下2DEG迁移率较高，随着VGS由负向零增加PCF散射增强，在其作用下，2DEG电子迁移率减小。当LG/LSD比值大于0.5时，PCF散射在两个器件中的作用均较弱，栅下载流子迁移率变化趋势由POP散射主导，由于凹槽栅结构耗尽型器件中2DEG面密度较高，POP散射较强，其载流子迁移率低于常规器件。
　　2.极化库仑场散射对凹槽栅耗尽型AlGaN/GaN HFETs器件栅源通道电阻（RSch）和非本征跨导(gm)的影响
　　(1)极化库仑场散射对凹槽栅耗尽型AlGaN/GaN HFETs器件栅源通道电阻（RSch）的影响
　　制备常规AlGaN/GaN HFETs和凹槽栅（栅槽深度为9nm）耗尽型AlGaN/GaN HFETs进行对比探究。栅源通道电阻（RSch）采用栅探针法和理论模型拟合得到。对于常规AlGaN/GaN HFETs，栅偏压VGS为正时，栅下势垒层受到张应变增强，栅下呈现正的附加极化电荷σ3。随着VGS由零正向增大，栅下正的附加极化电荷σ3增多，对欧姆接触区域附近由于金属扩散导致的不随VGS变化的负附加极化电荷σ1抵消作用增强，PCF散射对栅源、栅漏区域沟道中的载流子散射作用减弱，栅源通道电阻（RSch）随着VGS从4.5V到5V增加而减小。
　　对于凹栅槽耗尽型AlGaN/GaNHFETs，ICP刻蚀和介质层的淀积在栅下区域势垒层界面引入了正极化电荷和正界面电荷，使得在未加栅极电压时，栅下产生正附加电荷σ3。而随着VGS增大，栅下势垒层张应变增强，栅下正附加电荷在原有的基础上不断增加，栅下附加正电荷σ3的作用完全抵消欧姆接触区域负附加极化电荷σ1之后成为PCF散射主要来源。随着VGS在4.5～5V范围内增加PCF散射增强，栅源通道电阻（RSch)随着VGS的增大而增大。
　　凹槽栅耗尽型AlGaN/GaNHFETs器件中栅源通道电阻（RSch）受到的PCF散射作用大于常规器件。对于不同栅长的AlGaN/GaN HFETs，栅长越大，PCF散射对栅源通道电阻RSch的影响越明显，因而栅长越大的常规器件和凹槽栅耗尽型器件RSch数值差别越大。
　　(2)极化库仑场散射对凹槽栅耗尽型AlGaN/GaNHFETs器件非本征跨导(gm)的影响
　　由于器件尺寸较小，器件饱和机理为饱和漂移速度机理，非本征跨导gm的变化来源于栅源通道电阻RSch的变化。我们分别用RSch(PCF)和RSch(POP)表示PCF散射对应的RSch组分和POP散射对应的RSch组分。分析PCF散射对栅源通道电阻RSch的影响时，以栅源、栅漏作为基准，迁移率分析中我们通过PCF散射理论模型拟合得到零栅压下凹栅槽耗尽型器件栅下区域存在正界面电荷和正极化电荷，这也就是栅下区域存在正附加电荷。对于凹栅槽耗尽型AlGaN/GaN HFETs，随着VGS从-3V到1V增大，栅下正附加极化电荷不断增多，增多的附加正极化电荷对欧姆接触区域由于金属横向扩散产生的固定负附加极化电荷产生抵消作用，导致PCF散射对栅源、栅漏区域沟道中的载流子散射作用减弱，进而使得栅源通道电阻RSch随着VGS的增大而减小。而POP散射则与之相反，当电流增大到一定程度后，沟道中的载流子速度增大，电子能量增强，其与极化光学声子散射的作用不断增强，这使得电子温度的上升，POP散射增强，导致栅源通道电阻RSch随着VGS的增大而增大。对比栅长（LG）和栅源间距（LSD）比值不同的器件，发现栅长越大的器件，其PCF散射作用强，PCF散射对栅源通道电阻RSch影响越大。随着VGS增大，PCF散射决定的RSch(PCF)减小，RSch(PCF)的减小会抵消随着栅偏压增大的RSch(POP)。LG/LSD越大的器件，抵消作用越强，栅源通道电阻RSch随着LG/LSD比值的增大变化越小，器件跨导也就越平缓。
　　3.极化库仑场散射对凹栅槽增强型AlGaN/GaN HFETs器件特性影响研究
　　(1)极化库仑场散射对凹栅槽增强型AlGaN/GaN HFETs器件2DEG迁移率的影响
　　通过PCF散射理论模型拟合得到不同尺寸凹栅槽增强型AlGaN/GaN HFETs器件势垒层附加极化电荷和载流子迁移率。分析得到ICP刻蚀和介质层的淀积在栅下区域势垒层界面引入大量负界面电荷，对于PCF散射，这相当于栅源、栅漏区域产生大量正的附加电荷σ2。而随着VGS正向增大，由于逆压电效应，栅下势垒层界面总负电荷（势垒层界面正极化电荷加负界面电荷）减少，PCF散射减弱，随着VGS增加栅下2DEG迁移率增大。所研究的器件栅源(LGS)、栅漏间距(LGD)相等，栅长越大，栅源、栅漏区域附加正电荷σ2对栅下载流子散射作用越弱，随着VGS增大其载流子迁移率变化幅度越小。VGS相同时，栅长越长其PCF散射作用越弱，载流子迁移率越大。
　　(2)极化库仑场散射对凹栅槽增强型AlGaN/GaN HFETs栅源通道电阻（RSch)的影响
　　本章选取不同尺寸的凹栅槽增强型AlGaN/GaN HFETs，对比探究其栅源通道电阻（RSch）。AlGaN/GaN HFETs栅源通道电阻(RSch)利用栅探针法和PCF散射理论模型拟合得到，ICP刻蚀和介质层的淀积在栅下区域势垒层界面引入大量负界面电荷。因而未加栅电压时，栅下就存在大量的负附加电荷σ3。随着VGS正向增大，栅下势垒层张应变增强，栅下负附加电荷σ3减少，对于栅源、栅漏区域中的2DEG电子散射作用减弱，因此栅源通道电阻RSch随着VGS的增大而减小。栅源、栅漏间距相同，栅长越短，栅下附加电荷对栅源通道电阻RSch作用越弱，RSch数值越小。

目录

声明

摘要

符号表

第一章 绪论

§1-1 GaN基材料研究进展及意义

§1-2 AlGaN／GaN HFETs器件研究进展

1-2-2 增强型AlGaN／GaN HFETs器件研究进展

§1-3 实现增强型AlGaN／GaN HFETs几种方法及其发展

§1-4 本论文的研究内容与安排

第二章 凹槽栅AlGaN／GaN HFETs器件的制备、测试和工作原

2-1-2 外延生长

§2-2 AlGaN／GaN HFETs器件制备

2-2-2 光刻工艺

2-2-3 器件隔离工艺

2-2-5 栅槽刻蚀工艺

2-2-7 肖特基接触工艺

2-3-2 AlGaN／GaN HFETs器件测试方法

§2-4 AlGaN／GaN HFETs器件的工作原理

第三章 极化库仑场散射对凹栅槽AlGaN／GaN HFETs器件迁移率影响研究

§3-1 AlGaN／GaN HFETs器件中散射机制

§3-2 极化库仑场散射对凹栅槽AlGaN／GaN HFETs器件迁移率的影响

第四章 极化库仑场散射对凹栅槽耗尽型AlGaN／GaN HFETs器件栅源通道电阻RSch和非本征跨导gm的影响

§4-1 极化库仑场散射对凹栅槽耗尽型AlGaN／GaN HFETs器件栅源通道电阻RSch的影响

§4-2 极化库仑场散射对凹栅槽耗尽型AlGaN／GaN HFETs非本征跨导孙的影响

第五章 极化库仑场散射对凹栅槽增强型AlGaN／GaN HFETs器件特性影响研究

§5-1 极化库仑场散射对凹栅槽增强型AlGaN／GaN HFETs器件2DEG电子迁移率的影响

§5-2 极化库仑场散射对凹栅槽增强型AlGaN／GaN HFETs栅源通道电阻磁的影响

第六章 结论

参考文献

致谢

学位论文评阅及答辩情况表