论文部分内容阅读
GaN材料由于具有禁带宽度大、击穿电场强、饱和电子漂移速度大及化学性质稳定等特点,在高温、高压、微波、大功率器件领域具有广阔的应用前景。如今,GaN基HFETs器件已经发展到较高的性能水平,但是仍然受到电流崩塌、器件可靠性等问题的困扰,进而制约了器件高频、大功率性能的进一步提升。InAlN/GaN材料体系为大功率、高频应用提供了一个非常具有吸引力的选择。InAlN在In组分为17%时能够晶格匹配生长到GaN上而且电荷面密度大约是典型AlGaN/GaN HFETs的两倍。如此高的电荷面密度缘于In0.17Al0.83N/GaN具有较传统Al0.2Ga0.8N/GaN四倍多的自发极化强度。这些特性使得InAlN/GaN可以被用来制作高电流密度、低导通电阻、大幅度等比例缩小以及可单片集成的常开或常关HFET,有望取代AlGaN/GaN。尽管GaN基HFETs器件在高温、高频、大功率电子器件等领域有着非常诱人的优越性和广阔的应用前景,但是器件可靠性问题还未能得到完美的解决,阻碍了其大规模商业化应用乃至取代硅基器件的进程。本论文正是在可靠性问题的引领下,对InAlN/AlN/GaN材料结构和器件做了如下研究工作并得到了一些重要结论：1.InAlN/AlN/GaN异质结场效应晶体管势垒层应变研究。应变与逆压电效应直接相关,是带来器件可靠性问题的一个重要原因。理论上,In组分为17%的InAlN/AlN/GaN异质结构中,InAlN层不存在应变。但是实际材料结构或者器件结构中InAlN层是否存在应变还有待验证。我们首先介绍了一种计算InAlN/AlN/GaN HFET栅下势垒层应变的方法,然后利用这种方法分别对正常欧姆工艺和边欧姆工艺InAlN/AlN/GaN HFETs栅下势垒层的应变进行了研究。发现这两种不同工艺下的器件中InAlN势垒层均存在大小不可忽略的压应变,零栅偏压下沟道二维电子气密度都随应变程度的增大而减小。还发现源漏欧姆工艺中欧姆金属原子向势垒层中的横向扩散是造成InAlN势垒层中存在压应变的一个非常重要的原因。但是同时还存在其他因素影响势垒层的应变以及源漏之间势垒层应变的分布,确定这些因素还有待进一步的研究。2. InAlN/AlN/GaN异质结构材料界面陷阱态研究。GaN基异质结构材料中的陷阱态可能造成器件工作时的电流崩塌,影响器件可靠性。本论文利用电导法对InAlN/AlN/GaN异质结构材料中InAlN/GaN界面处的陷阱态进行研究,提取出了界面陷阱态密度和时间常数,分别为(0.96～3.36)×1013cm-2eV-1和(0.29～1.61)μs。发现在阈值电压附近,界面陷阱态对C-V曲线的频散起主导作用,而表面陷阱态的影响可以忽略。另外,界面陷阱态时间常数随偏压的变化关系说明GaN禁带中具有更高能量状态的界面陷阱态通常能够更快地俘获和发射电子。最后,通过计算InAIN势垒层的应变对InAlN/AlN/GaN异质结构材料中高的界面陷阱态密度从InAlN势垒层应变的角度作出了尝试性的解释。3. InAlN/AlN/GaN异质结场效应晶体管退化研究。论文该部分对InAlN/AlN/GaN HFETs进行电学特性的退化试验。观察到在连续多次Ⅰ-Ⅴ输出特性测试中和长时间电应力作用下器件漏源电流均出现了下降,其原因归结为2DEG沟道中热电子导致的热声子堆积。大量热声子的存在对沟道中2DEG有散射作用,降低了沟道电子的迁移率,增大沟道电阻,进而使得漏源电流下降。