AlGaN/GaN HEMT器件栅漏区域电学性能的研究

摘要

GaN是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，有着禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、耐高温、抗辐照等优良性能，并且会在AlGaN/GaN异质结界面处产生浓度很高的二维电子气（2DEG），而具有高电子迁移率的2DEG会在界面下方形成导电沟道，因此在高频、大功率、微波等领域有广泛的应用前景。虽然AlGaN/GaN HEMT器件作为前沿热点已经吸引到了学界的广泛关注，但是其击穿电压仍然远远低于GaN材料的理论击穿极限。因此，本文是利用Sentaurus TCAD仿真软件设计和仿真模拟新的器件模型，优化器件结构和参数，提高器件的击穿电压。主要的研究内容有： （1）提出了一种具有双电荷区势垒层结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（DCBL-HEMT）。首先介绍在栅极和漏极之间的势垒层中的两个负电荷区的结构和工作原理，其负电荷的引入可通过氟等离子体处理实现。相较于普通钝化层结构和场板结构的晶体管，具有双电荷区势垒层结构的晶体管沟道中的电子被势垒层中的负电荷耗尽，改善栅边缘的电场集中，使电场分布更加均匀，调节沟道层中的电场分布，有效地提高器件的击穿电压。然后通过控制变量的方法逐一对双电荷区的长度、浓度、电荷区间的距离进行仿真优化，得到了击穿电压284V的HEMT器件。 （2）提出了一种具有阶梯AlGaN层的新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（SGF-HEMT），并对其机理进行研究。在该研究中，通过模拟仿真计算了阶梯AlGaN层的不同厚度和长度对器件的2DEG、电场、击穿电压的影响，发现阶梯AlGaN层结构的HEMT器件不仅在阶梯氮化物层边缘和栅极场板边缘之间产生了新的电场峰值，而且还减小了栅极边缘附近的电场峰值，从而导致更高的击穿电压，得到了击穿电压为641V的HEMT器件。 （3）在SGF-HEMT器件研究的基础上，通过在栅下势垒层中添加氟离子，耗尽沟道层二维电子气，改善了栅下沟道层的电场分布。计算分析了在SGF-HEMT栅下注入氟离子对器件电子密度、电势分布、阈值电压、击穿电压、输出电流和开态电阻的影响，得到了击穿电压为1113V的增强型HEMT器件。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 GaN材料简介

1.3 AlGaN/GaN HEMT概况

1.3.1 AlGaN/GaN HEMT的击穿机理

1.3.2 AlGaN/GaN器件工艺和材料优化

1.3.3 AlGaN/GaN HEMT器件结构优化

1.4 国内外研究现状与发展动态

1.4.1 AlGaN/GaN HEMT研究现状与发展动态

1.4.2 氟等离子体处理的研究现状

1.5 本文的主要工作内容

第二章 器件物理建模与仿真方法

2.1 Sentaurus仿真软件简介

2.2 仿真软件的物理模型

2.3 本章小结

第三章 AlGaN/GaN HEMT器件基本原理与特性

3.1.1 极化效应

3.1.2 二维电子气

3.2 HEMT器件的基本结构与工作原理

3.3 HEMT器件的重要特性

3.3.1 GaN HEMT器件的小信号特性

3.3.2 GaN HEMT器件的功率性能参数

3.4 GaN HEMT器件的制备

3.5 本章小结

第四章 双电荷区势垒层AlGaN/GaN HEMT特性仿真

4.1 DCBL-HEMT与普通结构HEMT的对比

4.2 电荷区长度对器件电学性能的影响

4.3 电荷浓度对器件电学性能的影响

4.4 双电荷区之间距离对器件电学性能的影响

4.5 本章小结

第五章 阶梯AlGaN层对HEMT器件电学性能的影响

5.1 器件的原理和基本结构

5.2 阶梯钝化层的尺寸对器件电学性能的影响

5.3 注入氟离子对SGF-HEMT电学性能的影响

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果